微生物燃料電池技術處理苯酚的基礎研究

郭 璇

（中國城市建設研究院有限公司，北京 100120）

0 引言

苯酚是一種重要的工業原料，在有機合成領域應用廣泛[1]，因此，苯酚是煉油、焦炭、染料、紡織、農藥和醫藥生產等諸多工業生產廢水中的主要污染物[2]。苯酚具有較強的生物毒性，對人體和生態環境危害巨大，是我國優先控制的主要污染物之一[3]。目前，工業苯酚廢水的處理方法包括物理法、化學法和生物法三大類。利用物理法和化學法處理含酚廢水，能耗大、成本高、處理量小[4]，無法滿足社會發展需求，而生物法處理苯酚廢水，具有經濟、高效、無二次污染等優點[5]，其應用前景廣闊。

微生物燃料電池技術是一種新興的廢水生物處理技術，電池陽極一般為導電材料，微生物作為催化劑富集于陽極表面，在凈化廢水的同時，將廢水化合物中蘊藏的化學能轉化為電能輸出[6]。目前，以微生物燃料電池技術處理高危工業廢水是國際研究熱點[7-8]，而苯酚是我國優先控制的工業污染物之一，因此，本文以苯酚為底物，構建微生物燃料電池，探索以微生物燃料電池技術處理苯酚廢水的可行性，考察了苯酚微生物燃料電池的產電性能及苯酚降解性能，同時對電池陽極富集的優勢苯酚降解菌進行了分離、純化和鑒定。

1 實驗部分

1.1 MFC 基本結構

參照文獻[9]，雙室微生物燃料電池結構如圖1 所示。電池以苯酚為底物，以400 mL 玻璃試劑瓶構成2 個電極室，2 個電極室之間以法蘭盤密封連接，質子交換膜（Nafion 117）置于法蘭盤靠近陽極室一側。陽極電極為石墨棒（0.6 cm×18 cm），陽極室內填充活性炭顆粒（平均粒徑為0.5～2.0 mm，孔隙率為0.44）以增加廢水與電極棒的接觸面積，為維持陽極厭氧環境，需用膠塞密封陽極室。陰極電極為石墨片（0.5 cm×2.5 cm×17 cm），采用20 mmol/L 的Fe（Ⅲ）-EDTA 體系作為電解液傳輸電子[10]，為保持陰極液溶解氧濃度，陰極室需連續曝氣并不斷添加電解液以彌補曝氣損失。兩電極之間外接負載1 000 Ω，運行環境溫度維持在30 ℃左右。

圖1 微生物燃料電池結構示意圖

1.2 陽極液及接種物

電池陽極溶液為苯酚溶液與營養液的混合液，苯酚終質量濃度為200 mg/L，營養液參照文獻配制[11]。為保持陽極厭氧環境、提高微生物代謝率，陽極液混合均勻后，需用N2曝氣30 min 以去除氧氣。電池啟動時，需添加活性污泥作為接種物，本實驗選用燕山石化污水處理系統的活性污泥作為接種物，在電池啟動時，以5 mL/100 mL 的比例添加到陽極液中。

1.3 測試與計算方法

電池輸出電壓由自動信號采集系統（8251，瑞博華）記錄存儲，電流密度和單位體積功率密度分別按式（1）、式（2）計算。

式中：U 為輸出電壓，mV；I 為電流密度，mA/cm3；R 為外電阻，Ω；V 為陽極室有效體積，cm3；P 為功率密度，mW/m3。

苯酚濃度利用4-氨基安替比林直接光度法進行測定，化學需氧量利用COD 快速測定儀測定，pH 值利用雷磁pH 計測定。

1.4 微生物種屬分離及鑒定方法

根據文獻[12]所述，MFC 陽極富集的微生物利用平板劃線法分離純化，并利用16SrDNA 法鑒定。微生物菌株被分離純化后，利用SK1201-UNIQ-10 柱式細菌基因組DNA 抽提試劑盒(上海生工)進行提取，提取后進行PCR 擴增，擴增采用的引物包含上、下游，上游引物為27f（5’AGAGTTTGATCCTGGCTCAG 3’），下游引物為1492r（5’GGTTACCTTGTTACGACTT 3’）。PCR 擴增完成后，利用UNIQ-10 柱式DNA 膠回收試劑盒（上海生工）對擴增產物目的DNA 進行純化，并委托上海生工生物工程有限公司進行DNA 測序。DNA 測序結果提交NCBI（http://www.ncbi.nlm.nih.gov）進行檢索和同源性比較，最終得到單株細菌菌屬。

2 結果與討論

2.1 電池啟動與運行

以苯酚為底物，啟動活性炭填料型微生物燃料電池。電池的電壓輸出曲線如圖2 所示。電池啟動階段，每5 d 更新一次陽極溶液，電池成功啟動后，當電池電壓下降到200 mV 以下時，更新陽極溶液。從圖2可見，苯酚為底物的電池啟動電壓為88 mV，隨著培養時間的增長，電池輸出電壓穩定上升，不間斷培養約25 d 后，電池最高輸出電壓達到200 mV 以上并維持穩定，證明電池進入穩定運行階段。根據計算，苯酚廢水MFC 的最高輸出電壓為220 mV±10 mV，最高輸出功率密度為161.30 mW/cm3±0.33 mW/cm3。結果顯示，經過一定時間的培養馴化，在微生物燃料電池內，微生物可利用苯酚為營養物質產電，同步實現污水凈化與電能輸出。

圖2 苯酚電池電壓輸出曲線

2.2 苯酚廢水處理性能分析

電池達到穩定運行期后，為考察苯酚廢水的凈化效果，對電池進出水進行水質檢測，為保證準確性，檢測過程重復6 次，最終數據以平均值表示，結果如表1所示。活性炭填料苯酚電池COD 去除率為79.4%±2.0%，相應的苯酚污染物去除率為97.0%±2.0%。微生物燃料電池對苯酚去除效果較好，且對苯酚污染物的去除率高于對溶液COD 的去除率。這可能是由顆?；钚蕴剂己玫奈叫阅芤鸬?。

表1 苯酚微生物燃料電池污染物去除效果

由于活性炭自身為非極性物質，對帶有苯環結構的苯酚污染物具有較強的吸附性能，因此，當苯酚廢水添加至電池后，其中的苯酚污染物組分可快速被吸附于活性炭填料表面成為微生物代謝的營養物質，因此，其在陽極溶液中的濃度可快速降低。吸附于活性炭填料表面的苯酚被微生物降解產生的代謝產物一般為分子量較小的極性物質，不易被活性炭吸附，容易擴散至陽極溶液中，不利于被微生物代謝，導致陽極溶液的COD 增加。因此，MFC 對苯酚污染物的去除率高于對COD 的去除率。由此證明，活性炭填料電池是通過活性炭吸附和微生物代謝反應的相互疊加作用去除污染物。

MFC 陽極出水pH 值為6.09±0.10，呈弱酸性，這是因為每次陽極溶液更新后，電極或填料表面生長繁殖的部分微生物會游離至陽極溶液中發生厭氧發酵反應，導致溶液pH 減小，出現酸化現象。另外，苯酚污染物組分被微生物講解后會形成小分子脂肪酸，未來得及被微生物徹底代謝，也會引發陽極溶液pH 降低的現象。

2.3 填料表面微生物富集狀態分析

以苯酚廢水為底物的MFC 活性炭填料表面SEM掃描圖如圖3 所示，圖3-1 為原始活性炭顆粒表面狀態，僅可見雜質、灰塵及少量鹽結晶顆粒，未見微生物菌株的存在。圖3-2 為穩定運行后的MFC 內活性炭顆粒表面狀態，由圖3 可見，經過活性污泥接種后，微生物菌株逐漸在電池內以苯酚為營養物質，大量繁殖生長并富集于填料表面。根據圖3-2 顯示，穩定運行的MFC 表面富集的微生物菌株，數量繁多，形態各異，有桿狀、短桿狀及球狀，微生物多樣性良好。根據研究發現，隨著微生物菌株在填料表面的富集增殖，MFC 的產電量也同步上升，當填料表面富集的微生物數量達到一定程度后，電池產電量維持穩定狀態，不再增加。出現此現象的原因可能為富集于填料表面的微生物菌株可作為陽極催化劑，在降解苯酚的同時，傳導電子產電，但當菌株濃度達到飽和后，微生物數量不再增加，因此，電池產電量輸出維持穩定。

圖3 填料表面SEM 掃描圖

3.4 優勢微生物種屬分離分析

電池進入穩定運行期后，利用平板劃線的方法，對陽極室內富集的優勢微生物菌株進行分離純化，并利用16SrDNA 分子生物學方法對純化好的單菌株微生物進行種屬鑒定分析，結果如表2 所示。

表2 菌株的分子生物學鑒定結果

結果顯示，電池中共分出7 株優勢微生物菌株，分別為球型賴氨酸芽孢桿菌、蠟樣芽胞桿菌、蘇云金桿菌、芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、異常芽孢桿菌及陰溝腸桿菌，7 株菌均為桿狀菌。電池中的微生物多樣性較好，因此，電池穩定電壓輸出及苯酚去除性能較好。

3 結論

綜上所述，在接種的條件下，微生物燃料電池可以利用苯酚為營養物質產電，電池穩定運行電壓輸出為220 mV±10 mV，穩定輸出功率密度為161.3 mW/cm3；電池對苯酚處理效果較好，COD 去除率為79.4%±2.0%，相應的苯酚污染物去除率為97.0%±2.0%；電池產電性能隨著填料表面富集的微生物濃度增加而增加，當微生物濃度飽和后，產電量維持穩定狀態；穩定運行的電池陽極微生物多樣性較好，存在7 株不同的優勢微生物菌株。