微生物燃料电池处理苯酚废水

2010-10-25丁巍巍汪家权夏雪兰

合肥工业大学学报（自然科学版） 2010年1期

丁巍巍, 汪家权, 吕剑, 夏雪兰

(合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥 230009)

0 引言

含酚废水是一种来源广、水量大及危害十分严重的工业废水之一,它可通过皮肤及黏膜的接触而吸入或经口腔浸入生物体内,与细胞原浆中的蛋白质接触后形成不溶性蛋白质而使细胞失去活性,尤其对神经系统有较大的亲和力,使神经系统发生病变[1]。

处理含酚废水的方法很多,如生物法、电催化氧化法、吸附法、光催化氧化法和膜处理法等。这些方法存在占地面积大、操作条件苛刻和处理效果不理想等问题,因此开发高效快速、经济适用的含酚废水处理方法成为研究热点。而微生物燃料电池不仅能够处理有机废水,达到废水的去除效果,而且又能产生电能[2],因此研究微生物燃料电池处理苯酚废水是很有必要的,为处理含酚废水提供一条经济且处理效果好的处理模式。

本实验主要研究利用微生物燃料电池处理含酚废水,寻求一条处理含酚废水有效经济的厌氧生物处理模式。并且研究此反应装置处理含酚废水的最佳实验条件,为此装置实际应用奠定基础。同时MFC将可以被生物降解的物质中可利用的能量直接转化成为电能,考察在不同的条件下MFC的电能输出情况。

1 实验

1.1 实验材料

(1)不锈钢网、钛板(使用前均经过预处理除去表面氧化层以及油脂)。

(2)1 kΩ电阻,塑料管,导线若干,锥形瓶若干只。

(3)Na2HPO4,NaH2PO4,KCl,NH4Cl,非营养琼脂,硝酸铅等试剂,均为分析纯。

(4)一次性塑料注射器:20 mL。

(5)检测仪器:ULTRMET ERⅡTM6P(MYROW LCOMPANY 2450IMPALA DRIVE CARLSBAD,CA 9210 USA);722E型可见光分光光度计(上海光谱仪有限公司);水浴恒温振荡器(江苏金坛市金城国胜实验仪器厂);Pico电压实时监测仪(英国Pico公司);福克9025型数显万用表(深圳市福克仪器有限公司)。

1.2 实验方法

(1)缓冲溶液配制见文献[3]。

(2)盐桥制作:准确称取4 g琼脂置于烧杯中,加入200 mL蒸馏水,加热至琼脂完全溶解,称取60 gKCl,继续加热至KCl溶解,待溶液煮沸后趁热将混合溶液用注射器注入塑料管中[4]。

(3)钛基二氧化铅电极制备:将所需钛板打磨洗净去除油污后,再将钛板放入草酸溶液中微沸。风干后接入交流电源[5]。

(4)实验操作方法:本试验中采用4-氨基安替比林分光光度法测定苯酚的质量浓度。用重铬酸钾快速测定法测废水中的 COD量[6]。用6P参数仪测ORP值和pH值。

1.3 MFC中微生物的接种和运行

实验所采用的菌种采用合肥市王小郢污水处理厂的氧化沟厌氧段污泥,取回来后加入营养液和苯酚在厌氧条件下培养。同时培养器中放入阳极不锈钢网,以便微生物在阳极网上附着,有利于微生物接种。接种过程中先将阳极缓冲液曝N2 5 min,后将阳极网以及培养中少量营养液和阳极缓冲液一起倒入500 mL的锥形瓶中。整个过程一直要曝N2,再在锥形瓶中加入0.25 g NaHCO3(2.52 g/L),1.25 g Na2S◦9H2O(0.5 g/L)调节体系的pH值,封口膜密封。微生物培养中温度为30℃。而且,以阳极缓冲液为均衡微生物生长所必须的元素,加速细菌的增长驯化。

2 实验结果与分析

2.1 温度对分体式微生物燃料电池效能的影响

不同温度对微生物燃料电池去除苯酚的影响,如图1所示。整体呈下降趋势,但曲线中苯酚质量浓度在开始时运行不稳定,25℃的降解速率比35℃、15℃高,可能是因为微生物培养时的温度为30℃、25℃条件下的微生物能较快适应环境。且因微生物为加入苯酚驯化后接入到反应器中,存在微生物的吸附与解吸作用,有时会使苯酚质量浓度比起始质量浓度还高。后期35℃的比15℃、25℃下降趋势比较快,这说明温度为35℃时微生物数量多且微生物的活性高,阳极室的氧化还原速率快。这与厌氧微生物的适宜温度35℃左右相符合。表明体系温度到35℃左右有利于提高电池反应速率,但最后35℃的降解速率是最小。出现这样的结果可能是由35℃微生物的数量多,微生物降解底物的速率快,当最后底物不足条件下,微生物出现活性低和死亡[7]。且微生物对苯酚存在吸附-解吸的动态平衡过程,当微生物活性低或死亡时将苯酚释放出来,导致35℃条件下最后苯酚质量浓度的上升。

图1 不同温度下MFC阳极苯酚的降解变化

图2所示的是微生物燃料电池中阳极室COD降解情况,在阳极室去除苯酚的同时对COD也有降解,COD的去除效率分别为15℃时57.41%;25℃时59.62%;35℃时28.51%。15℃与25℃的去除效率差不多,但35℃的去除效率低,是否在降解苯酚时生成了有机中间产物还需进一步探讨。

图2 不同温度下MFC阳极降解变化

不同温度下微生物燃料电池的产电情况,如图3所示。此阶段的电压经过一段时间才达到稳定值。此时的电压变化曲线呈现开始产电和持续产电2个阶段。

图3 不同温度下的M FC的电压曲线

接入到阳极室后,MFC即开始代谢底物而产电,但电极上的功能微生物还处于适应环境,微生物活性不高,此时的电流可能主要是由细菌悬浮液产生的。随着反应的进行,微生物在代谢底物的过程中,以阳极电极为电子受体,电压有了明显的增长。阳极室温度15℃时的适应期最长,这是由于微生物驯化时的温度为30℃。之后进入持续产电阶段,电压值能够维持在某一数值上,这有利于电压的利用。但整体上35℃的电压值最高,且25℃与35℃数值相差不大,虽然由Nernst公式知,提高温度可以提高微生物燃料电池的电能输出,但25℃提高到35℃电能提高幅度不大,而15℃提高到25℃电压由180 mV左右提高到250 mV左右。可计算得MFC的最大输出功率密度(Pmax)为20.8 mW/m2。

2.2 不同的苯酚质量浓度对燃料电池的影响

本实验探求不同苯酚质量浓度对微生物燃料电池的影响。

由于苯酚为有毒有害物质,不但要探求低质量浓度条件下的降解情况,还要考察高质量浓度的苯酚对微生物燃料电池中微生物毒性的影响。图4所示的是苯酚随着天数的变化,在阳极室的残留率变化情况。

从图4可以看出,在微生物燃料电池中低中高苯酚质量浓度都有降解。苯酚质量浓度为0 g/L时随着天数苯酚质量浓度一直在0附近,这与初始质量浓度0 g/L相符合的。苯酚质量浓度为0.15 g/L和0.36 g/L时,接入电极后就开始有降解,开始时两者的降解速率比较快,但低质量浓度(0.15 g/L)时苯酚降解很快,在7 d左右时苯酚已降解完。

0.36 g/L时苯酚质量浓度一直在降低,而质量浓度为1 g/L、2 g/L时,都要经过缓慢的调整期后才开始降解苯酚,经过一个较快的降解速率后一直处于平稳状态。此时的降解速率比低质量浓度时开始的降解速率还要高。这是由于苯酚本身为有毒有害物质,且此时苯酚的质量浓度较高,微生物活性得到抑制,适应高苯酚质量浓度的微生物在经过5 d时间才开始降解苯酚,而且降解速率很快,在3 d时间内苯酚降解率达75%左右。这是由于从第5 d开始,微生物已经驯化并增值达到一定数目,此时的底物充足,因此表现出了较高的降解效率。

从图4中发现,当底物质量浓度为1 g/L、2g/L时的残留率大于100%,是因为苯酚是有毒物质在实验准备阶段加入了一定质量浓度的苯酚对微生物进行训化,由于底物质量浓度太高导致微生物中吸附的苯酚释放出来,出现了高质量浓度时苯酚的残留率高于100%。

从图4可得出0.15 g/L、0.36 g/L、1 g/L及2 g/L的降解率分别为 99.63%、71.71%、63.62%及64.17%,在低质量浓度下苯酚的降解率最高几乎完全降解,在中高质量浓度下的降解率也达到60%以上。