微生物燃料電池用于低品位錳礦浸提的研究*

林 梅，盧國賢，農富鈞，盧 波，廖思明，黃 俊，高曉梅，覃秋容，梁士頡，肖 寧，彭立新**

(1.廣西科學院，國家非糧生物質能源工程技術研究中心，非糧生物質酶解國家重點實驗室，廣西生物煉制重點實驗室，廣西南寧530007；2.南方錳業集團有限責任公司大新錳礦分公司，廣西南寧 532315)

錳是一種重要的戰略資源，廣泛應用于鋼鐵、錳合金及錳電池等多個方面。廣西是我國錳礦探明儲量第一的產區，其探明儲量占全國總儲量的38.5%，但大部分為低品位貧錳礦，占比為76.91%，而富礦石僅占3.75%[1]。此外，經過長期開采，高品位錳礦資源銳減，綜合利用低品位錳礦資源對于緩解我國錳礦資源緊張及提高企業效益具有實際意義。近年來，隨著浸提環保要求的提高，生物有機物浸提[2]，如蔗渣[3]、糖蜜酒精廢液[4-6]也運用在低品位的礦物浸提上，為人們提供以廢治廢、資源化利用的新途徑。但由于有機廢液組成復雜，與礦物進行混合后，各有機組分反應活化不同，尾水并未能達到排放標準。此外，有機廢液與礦物混合，一方面加大了后期對金屬凈化分離的難度，另一方面，廢液中增加的金屬、礦漿及其他成分進一步增加了后期廢液的生化處理難度。

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)是近年迅速發展起來的一種廢水處理技術，也是一種利用微生物的催化作用，將有機物中的化學能轉化為電能的電化學裝置。微生物燃料電池利用底物廣泛，產電過程中幾乎沒有其他形式的能量耗散，具有較高的理論能量轉化效率。目前，以希瓦菌屬(Shewanella)和地桿菌屬(Geobacter)為模式菌株，通過對Shewanella中的Quinones、CymA與MtrCAB途徑，Geobacter中的OMCs系統及pili納米導線的研究，人們對細胞色素、pili納米導線、內生電子介質的胞外電子傳遞過程有了一定的認識[7]。此外，在MFC基礎上衍生出來的微生物電解池(Microbial Electrolysis Cell,MEC)[8,9]與微生物脫鹽燃料電池(Microbial Desalination Cell,MDC)[10-12]，可用于生物制氫、脫鹽或海水淡化，進一步擴大MFC在多領域中的運用。特別是近幾年微生物電合成(Microbial Electrosynthesis，MES)的出現，由于能利用電能作為能量輸入，驅動還原CO2或有機物合成，將電能轉化為化學能，成為人們關注的焦點[13]。

近幾年MFC也見于重金屬廢水處理[14]、土壤修復研究與礦物的濕法浸提應用研究中[18]。該技術主要利用高價態重金屬離子陰極端富集并發還原反應，使其價態穩定或毒性降低。MFC反應中還原氧化分開進行的工作特征，提示可以利用該特征將有機廢水的氧化與低品位錳礦浸提還原反應分開進行，從而減少兩者混合導致的再次污染問題。但目前，無論是用于土壤修復、原位場地修復還是礦物浸提的MFC反應器，都是在比較溫和的反應條件下進行。而為了提高礦物浸提效率，MFC在陰極端會使用到強酸堿或高溫反應條件，如何將陽極端微生物反應條件與陰極端極端反應耦合是一大挑戰。本研究中，筆者通過改進MFC反應器，探索性地將模擬廢水的氧化與低品位錳礦浸提還原反應分開進行，用于礦物的浸提，擬實現廢水的資源化利用。

1 材料與方法

1.1 MFC與礦物浸提MFC構造

本實驗中對照組與礦物浸提MFC反應器均以玻璃材質的H型反應器為原型，每組實驗設置2組平行，兩極反應器有效容積均為160 mL。對照組的H型反應器主要由陽極室、陰極室及質子交換膜(Nafion117)組成。陽極端采用碳氈作為電極，圓柱形，尺寸為5.5 cm(高)×1.5 cm(直徑)；陰極端采用石墨棒作為電極，圓柱形，尺寸為5.5 cm(高)×2.5 cm(直徑)。以模擬廢水作為陽極液，主要成分如下：NH4Cl 0.31 g/L,KCl 0.13 g/L,NaH2PO4·2H2O 3.32 g/L,Na2HPO4·12H2O 10.32 g/L，乙酸鈉6.8 g/L，維生素和礦物元素。陰極液用50 mmol/L的K3[Fe(CN)6]磷酸緩沖液(Na2HPO4·12H2O 17.91 g/L，KH2PO46.8 g/L)。

礦物浸提MFC在以上H型反應器基礎上改造而成，其陽極室與對照組相同，陰極室在原結構上嵌入一礦物質室組成(圖1)，礦物質室通過陽離子交換膜在底部進行物質的隔離與離子的交換。陰電極由石墨電極構成，其尺寸為4 cm(高)×1.5 cm(直徑)，將其插入被礦物粉末填充的礦物質室內，并通過外線路與石墨陽電極相連接，構成一個完整的電池組。具體制備方法如下：將錳礦粉碎研磨，取過200目篩的軟錳礦粉末(MnO2含量為23%) 20 g，先加入少量礦物粉在礦物質室中，加載石墨電極后，再注入剩余礦物粉，邊加載邊振蕩使礦物粉末與石墨電極充分接觸壓實；然后取10 mL濃度為5%的H2SO4，將三價鐵鹽Fe2(SO4)30.5 g溶于其中，均勻注入礦物質室中，使其成為漿狀，混合后用Parafilm封口膜封閉礦物質室開口端，防止溶液蒸發。礦物質室置于1 mol/L的(NH4)2SO4(pH值為5)電解質中。工作過程中，MFC通過外接1 000 Ω電阻形成閉合回路，其輸出電壓由泓格PISO-813采集卡采集，每隔1 min采集1次電壓數據。實驗在30℃恒溫箱中進行。

圖1 常規H型MFC反應器與礦物浸提MFC構造圖Fig.1 MFC structure diagram of conventional H type MFC reactor and mineral extraction

1.2 礦物成分及反應底物分析

采用高氯酸氧化硫酸亞鐵銨滴定法測定礦物中的MnO2含量，處理前后的礦物樣品用掃描電鏡觀察其表面形態，EDS(X射線能量色散譜分析法)對礦物表面微觀區域的元素進行分析。XRD(X射線衍射儀)用于礦物成分分析。MFC陽極液中底物的降解程度用化學需氧量(COD)來評估，采用快速消解分光光度法(WTW試劑)測定。

1.3 微生物群落多樣性分析

對MFC陽極端取0.1 g陽極碳氈，使用PowerSoilTM(MIOBIO)試劑盒提取附著在碳氈上的菌群基因組DNA，DNA樣品送至北京諾禾致源科技股份有限公司對16S rRNA的V3區域進行二代高通量測序。

2 結果與分析

2.1 MFC運行過程

在運行礦物浸提MFC之前，與對照組進行相同的馴化過程，均以污水廠厭氧污泥作為馴化菌群進行接種。陽極液在接種前及換液過程中均作氮氣吹脫處理，陰極液與陽極液同時更換。通過馴化使其菌群在碳氈上著床，產電性能穩定在0.6 V左右，啟動礦物浸提MFC。實驗持續至陰極端錳礦粉末由黑色變為淡黃色，整個運行時間約為214 d，取同組多個周期進行COD去除率的檢測與數據分析，對照組MFC的陰陽兩極液及礦物浸提MFC的陽極液均以7 d為一個周期進行更換，而礦物浸提MFC礦物質室的維護以15 d為一個周期，每次補充2 mL 5%的H2SO4溶液維持陰極室的運行。當對照組MFC反應穩定后[圖2(a)]，在新的工作周期開始后，短時間內可達到最高電壓0.631 V，隨著反應的進行，其電壓逐漸下降，在117.7 h后，電壓降到0.466 V，隨后陡然下降，電壓穩定139 h后，降到50 mV以下。在礦物浸提MFC反應器中[圖2(b)]，其輸出電壓先在短時間內達到0.74 V，然后在2 h達到最高電壓0.781 V，隨后逐漸下降，在52.7 h后陡然下降到0.5 V左右，隨后電壓繼續下降最終穩定在0.2 V。當取下降到峰值電壓一半作為處理結束點時，在相同碳源條件下，礦物浸提MFC的反應周期為3 d，顯著小于對照組MFC 5.19 d的處理時間。通過對兩種反應器中陽極液COD的測定，當輸出電壓降到峰值一半時，對照組COD降到440，相對于起始反應液的COD值3 521，其COD去除率為87.5%；而在礦物浸提MFC中，當電壓下降到峰值一半(0.4 V)時，其COD降至320，其去除率為90.9%。礦物浸提MFC的高輸出功率增強了對COD的去除能力。

圖2 礦物浸提MFC與對照組MFC的輸出電壓曲線Fig.2 Voltage output curves of MFC with mineral extraction and control group

2.2 MnO2的浸提

在礦物浸提MFC中，由于陰極室增加了緩沖層，將礦物浸提室與陽極室進行隔離。在礦物浸提室內，礦物粉與酸進行混合浸潤后，可接受來自于陽極的電子進行還原反應。當可溶性錳離子或其他可溶性金屬離子進入緩沖層后，可以通過緩沖層的(NH4)2SO4對其他的金屬除雜，從而實現對錳離子的分離凈化，可用于下游的電解硫酸錳。使用EDS分析浸提前后的礦物成分(圖3)，其MnO2由浸提前的23%下降到浸提后的0.98%。由于Mn元素的去除，K、Al、Fe、Si元素的含量由原來的1.6%、12.0%、5.12%、13.5%增加到12.7%、18.4%、8.4%、41.7%。XRD的結果也觀察到，在處理后SiO2、Al2O3組分樣品總含量增加(圖4)。

圖3 MnO2及礦物浸提前、中、后期礦物成分的電鏡與EDS譜圖分析Fig.3 Analysis of SEM and EDS spectra of MnO2 and minerals before,middle and after leaching

圖4 二氧化錳及礦物浸提前后XDR譜圖分析Fig.4 XDR spectrum analysis of MnO2 and minerals before and after leaching

2.3 產電微生物的菌群結構分析

為進一步研究礦物浸提MFC反應條件下陽極端菌群結構，利用16S rRNA高通量測序的方法，比較對照組與礦物浸提MFC菌群的種類。在對照組MFC中，Geobacter占總菌群的85%，其后依次是Microvirgula(4.5%)，Petrimonas(2.7%)，Desulfovibrio(1.8%)。而在礦物浸提MFC中，Geobacter的比例增加，占總菌群的95%，其次分別為Petrimonas(1.1%)，Desulfovibrio(0.9%)，Microvirgula(0.9%)。結果顯示，以乙酸鈉為碳源的模擬廢水中，盡管Geobacter為嚴格的厭氧菌，但在半開放操作的MFC中依然占據微生物菌群的主要地位。在以乙酸鈉為碳源的MFC反應器中，Geobacter在陽極端是較為常見且占主要地位的菌群類型，本實驗對照組MFC中也觀察到類似的結論。在礦物浸提MFC反應器中，Geobacter的比例為95%，高于對照組(85%)，與MFC產電性能呈正相關關系。該結果提示在以乙酸鈉為碳源的反應液中，高的產電性能有利于Geobacter微生物的富集。

3 討論

由于廣西地處亞熱帶，光照時間長，有著豐富的生物資源，微生物[19]、農業廢棄物蔗渣[3]、糖蜜酒精廢液[4]等也常用于低品位錳礦濕法浸提的研究，這為人們提供了以廢治廢、資源化利用的新途徑。其中，最為常見的是使用甘蔗糖蜜酒精廢水，主要原因為廣西是全國糖業主產區(占全國產量的66%以上)，其副產物糖蜜用于發酵生產酒精，會產生大量甘蔗糖蜜酒精廢水，占廣西工業有機廢水排放的70%。但由于有機廢液組成復雜，含有還原性羥基、醛基以及類似的其他復雜基團，包括還原單糖、多糖、纖維素、半纖維素等多種組分，與礦物混合后，各有機組分反應活化不同，雖然浸提后最終反應液中COD、BOD或色素能部分去除，但并未達到排放標準。這種有機廢液與礦物的混合物，一方面增加對錳元素純化的難度，另一方面廢液中增加的金屬、礦漿及其他成分，加大了浸提液的處理難度。通過本實驗的開展，礦物浸提MFC給復雜性有機廢水用于低品位錳礦的浸提提供了新的思路，即通過MFC的反應特征將MnO2還原與有機物的氧化分開進行，從而避免直接混合反應中有機廢液尾端處理及錳元素的凈化問題。

盡管MnO2作為錳電池的放電機制已有大量報道，如Mn4+在酸性條件下，會從陰極端接收電子生成可溶性錳離子Mn2+(MnO2+4H++2e→Mn2++2H2O)，但由于錳礦是多元屬組成的復雜體系，除二氧化硅、二價四價錳外，錳礦還附合鐵、鋁、鉛、鋅、鎂、銀等金屬元素。在復雜體系中許多金屬離子在溶液中都不是以簡單離子形態存在，如常規硫鐵礦對錳礦的濕法浸提工藝中[20]，MnO2在稀硫酸溶液中主要是通過硫鐵礦產生的亞鐵離子還原與溶解，主要反應為

2MnO2+2Fe2++8H+→2Mn2++2Fe3++4H2O，

其中，MnO2被Fe2+還原為Mn2+，而硫鐵礦被氧化為Fe3+，這兩個氧化-還原反應循環進行，可不斷還原浸出低品位錳。此外，在FeSO4對錳礦的浸提過程中，在不同酸度中鐵離子還會以不同的物相存在溶液中[21]。如在弱堿性條件下，鐵會以Fe(OH)3形式析出溶液，而在酸性條件下主要以Fe3+離子形式存在浸提溶液中。

MnO2+2FeSO4+2H2O→MnSO4+

Fe(OH)SO4+Fe(OH)3,

MnO2+2FeSO4+H2SO4→MnSO4+

2Fe(OH)SO4,

MnO2+2FeSO4+2H2SO4→MnSO4+

Fe2(SO4)3+2H2O。

在實驗過程中，筆者觀察到錳礦物漿中酸度與Fe2+/Fe3+兩個因素對MnO2浸出速率與輸出電壓值影響較大。結合以上結論，在礦物浸提MFC陰極端其總體反應應為Fe3+在陰極上還原生成低態Fe2+后，繼而與MnO2發生氧化還原反應(MnO2+2Fe2++4H+→Mn2++2Fe3++2H2O)，而Fe2+/Fe3+在礦物浸提過程得到循環利用。因此，通過增加外源Fe2+/Fe3+離子可增加礦物浸提MFC的輸出電壓。

4 結論

本實驗構建的礦物浸提MFC反應器可以較好地耦合陽極端產電微生物溫和的反應條件與陰極極端的反應條件，為MFC用于有機廢水處理及低品位錳礦浸提資源化提供了新途徑。通過浸提機理的探討，酸性條件Fe2+/Fe3+循環利用可能是MnO2浸提價態下降的主要方式。礦物浸提MFC進一步發展，可以延伸到重金屬廢水處理、土壤/場地修復、氧化型礦物浸提等應用場景中，從而擴展MFC現實應用領域。