进水COD浓度对基于MFC的UASB生物传感器反馈性能的影响

贾 辉，杨 光，房宏艳，王 捷，何志超

（1.天津工业大学环境与化学工程学院，天津 300387；2.天津工业大学省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室，天津 300387；3.天津工业大学天津市水质安全评价与保障技术工程中心，天津 300387）

进水COD浓度对基于MFC的UASB生物传感器反馈性能的影响

贾 辉1，2，杨 光1，2，房宏艳1，2，王 捷1，3，何志超1

（1.天津工业大学环境与化学工程学院，天津 300387；2.天津工业大学省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室，天津 300387；3.天津工业大学天津市水质安全评价与保障技术工程中心，天津 300387）

考察MFC生物传感器在不同COD负荷条件下电信号的反馈情况.通过对比不同进水COD条件下的反馈时间，研究pH对MFC传感器反馈性能的影响.实验结果表明：MFC电信号与进水COD质量浓度具有良好的线性关系；在1 000～3 000 mg/L的进水条件下，MFC稳定电压与进水COD质量浓度呈y=3.83×10-5x+ 0.25的线性增长关系，传感器的反馈时间为4 h；随着进水COD质量浓度提升至4 000～6 000 mg/L，MFC稳定电压与进水COD质量浓度呈y=-5.95×10-5x+0.54的线性下降关系，系统内挥发性脂肪酸大量积累导致pH降至4.6，反馈时间延缓至8.6 h，系统长期处于酸化状态，产电微生物活性降低，电子传递速率受到抑制，传感器反馈时间延迟.

升流式厌氧污泥床（UASB）；微生物燃料电池；生物传感器；反馈时间；pH

升流式厌氧污泥床反应器（up-flow anaerobic sludge bed/blanket，UASB）作为一种处理污水的厌氧生物方法，具有处理成本低、产生污泥量少等优点[1-3]，已广泛应用于生活污水及有机物含量较高的工业废水处理.UASB以厌氧微生物为核心进行处理，且反应器中的厌氧微生物对环境条件要求苛刻，活性污泥中微生物种群较为复杂，而UASB在线监测手段的缺乏，使得UASB工艺在应用中多依赖于经验，缺乏评价系统运行状态的工具与手段.

微生物燃料电池（microbial full cell，MFC）作为一种生物电化学装置，利用微生物将有机物中的化学能转化为电能[4].MFC能够在处理废水的同时利用电信号进行生物传感，充分利用其产生的微弱电能并且实现废水处理在线监测.因此，MFC可以作为一种利用电流为传感信号的生物传感器[5].它相比于其他不同种类的生物传感器具有小型化、可携带性、实时监测等优点[6-7].Zhang[5]基于MFC的产电原理，成功研制一个结构简单、操作方便的溶解氧传感器，该传感器电信号稳定，放置水中能够准确快速地测量出水中的溶解氧浓度；Lorenzo等[8]以人工废水为燃料构建BOD5传感器，该传感器输出功率与BOD5浓度有良好的线性关系，可用于BOD5的实时监测；还有研究者通过MFC电流变化来反映基质中的有毒化合物，一旦出现有毒的化合物，电信号将及时反馈[9].

本课题组利用MFC所产电流构建生物传感器，在线监测UASB的运行情况[10-11].在前期研究中发现，电信号与基质浓度存在相应的线性关系，但由于不同进水浓度造成UASB内部微生物生存环境存在一定差异，从而影响UASB运行状态，使得MFC传感器对其反馈性能有所差异.本文针对上述问题，在连续运行的条件下，考察MFC电信号针对不同COD负荷的反馈关系，通过对比MFC传感器对不同COD浓度反馈时间的差异，深入研究不同运行状态下pH及挥发性脂肪酸含量变化对于传感器反馈性能的作用机制，为实现MFC传感器的快速反馈提供相应的理论依据，对UASB优化及运行提供更为全面的监测与调控信息.

1 材料与方法

1.1 实验材料及仪器

材料：碳布（HCP330N），上海河森电气有限公司产品；碳毡，北京凤翔有限公司产品；所用分析试剂均为市售分析纯.

仪器：MFC-UASB有机玻璃装置，自制；VICTOR 86E型数显万用表，深圳市胜利电子科技有限公司产品；PHG-210型在线pH计，北京博海志远科技有限公司产品；23023型简式电阻箱，宁波凯迪科教仪器有限公司产品；YZ1515型蠕动泵，天津协达伟业电子有限公司产品；LMF-1型湿式防腐气体流量计，长春汽车滤清器有限责任公司产品；HACH HQ30D型便携式溶氧仪，美国哈希有限公司产品；sp-6890型气相色谱仪，山东鲁南仪器公司产品.

1.2 基于MFC的UASB生物传感器工艺流程

基于实验室规模的MFC-UASB耦合装置如图1所示.

图1 MFC-UASB耦合装置示意图Fig.1 Schematic of MFC-UASB integrated system

图1中，MFC采用单一反应室，无质子交换膜，阳极室为有机玻璃制成的直径20 cm、高度1.0 m、有效容积为10 L的UASB反应器.分别采用碳毡和碳布作为生物阳极和空气阴极，活性污泥为载体.污水通过蠕动泵注入UASB反应器底部，通过布水器均匀布水. MFC位于UASB悬浮层位置，产电细菌在此区域活动频繁，并在阳极碳毡表面形成生物膜，将厌氧消化剩余的底物及中间产物分解并进行产电[12]；反应器上方设三相分离器，通过溢流出水.UASB内部阳极碳毡和外部自制阴极碳布构成MFC系统，两电极之间用铜导线连接并加载简式电阻箱（0～9 999 Ω），形成闭合回路，外接万用表对MFC产生的电压进行在线采集.

实验所用厌氧活性污泥接种自天津纪庄子污水处理厂的回流池污泥，经过30 d驯化.模拟有机废水以淀粉为基质，且C（淀粉）∶N（尿素）∶P（KH2PO4）的配比比例为350∶5∶1，此外投加微生物生长所需的其它金属元素和微量元素[13]，如NaHCO3，0.5 mg/L；Al2（SO4）3· 18H2O，0.1 mg/L；MgSO4·7H2O，3 mg/L；FeSO4·7H2O，3.5 mg/L；CaCl2·6H2O，0.3 mg/L；ZnSO4·7H2O，0.1 mg/L；CuCl2·2H2O，0.2 mg/L；MnSO4·H2O，0.5 mg/L.用便携式溶氧仪定期在采样口取样，保持反应器内溶解氧质量浓度维持在0.2 mg/L以下，接种污泥质量浓度为9 600 mg/L，整个实验温度控制在（28±2）℃.

1.3 检测分析方法

电压值采用数显万用表测定；pH值采用精密pH计测定；挥发性脂肪酸采用气相色谱仪测定，色谱条件为色谱柱毛细管柱SE-54，检测器FID，载气N2，柱前压为0.1MPa，尾吹压为0.1MPa，燃气为空气0.1MPa、氢气0.1 MPa，柱温135℃，检测温度220℃，进样口温度200℃，进样量1 μL.

2 结果与讨论

2.1 MFC电信号对UASB进水COD的反馈性能

配制多个不同浓度梯度废水（COD 1 000～6 000 mg/L），依次注入UASB反应器内部，水力停留时间（HRT）为12 h，MFC电信号对进水COD的反馈性能如图2所示.

图2 MFC-UASB对COD浓度的反馈关系Fig.2 MFC-UASB response to COD concentration

图2（a）、（c）所示为不同COD浓度下MFC电信号的变化图.当进水COD质量浓度为1 000 mg/L时，电信号稳定在0.28 V.随后提高进水浓度，运行16 h后其电压达到稳定状态.当COD质量浓度为3 500 mg/L时，其稳定电压值最大为0.378 V.这是由于随着进水浓度增加，大部分有机物质被厌氧污泥消耗，用于微生物新陈代谢，较多的有机物质被产电菌分解用于产电，使微生物新陈代谢速率得以提升.此后随着进水COD浓度增加，电压逐渐下降，主要是由于随着进水浓度增加，促进UASB-MFC系统中的挥发性脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸）生成，进而导致系统酸化，降低产电菌活性.

图2（b）、（d）所示为MFC稳定电压与进水COD浓度的线性关系，当进水COD质量浓度为1 000～3 500 mg/L时，稳定电压与COD呈y=3.83×10-5x+0.25的线性关系，有机物既供给污泥层微生物生理代谢，又使阳极生物膜产电细菌活动加强，电压上升较快，系统良好稳定的运行.当进水质量浓度COD为4 000～6 000 mg/L时，稳定电压与COD呈y=-5.95×10-5x+0.54的线性关系，此阶段系统不能迅速降解较多的有机物质，导致反应器内部出现酸碱失衡，抑制了微生物的活性.

在不同的进水浓度条件下，电信号对UASB内部运行反馈有所不同，可为UASB优化及运行提供更为全面的监测信息.

2.2 MFC电信号的反馈时间分析

反馈时间作为研究MFC生物传感器反馈性的一个重要参数，代表MFC阳极生物膜的微生物感受到COD浓度的变化后，对被测物质的反馈速度.不同进水COD浓度条件下MFC电信号的变化如图3所示.当进水浓度改变后，电压并没有随着进水浓度变化立刻改变，而是经过一段时间的间隔后，出现升高或下降.因此本文把变化浓度到电压出现明显变化所需的时间定义为反馈时间[10].

由图3（a）可以看出，在外电阻为1 000 Ω、HRT为12 h、碱质量浓度为2 000 mg/L的条件下[14]，当系统在1 000 mg/L阶段稳定运行20 h后MFC电压一直维持平衡，此时提高进水COD浓度，MFC电压在第24 h时出现大幅度提升，并最终稳定在0.33 V，说明此时MFC传感器感受到溶液浓度的变化，并作出反应，直至结束一周期水力停留时间后MFC电压仍处于上升阶段并逐渐达到稳定状态.图3（b）、（c）、（d）同样证明这个推断.图3（b）中传感器通过电信号反馈浓度变化同样是在改变进水浓度4 h后；图3（c）中将进水COD质量浓度由4 000 mg/L提升至5 000 mg/L后，电压在近25 h时呈现下降趋势，这主要是由于增加进水浓度，系统内有较多的厌氧中间产物例如乙酸、丙酸等挥发性脂肪酸的积累，导致产电菌活性失活，同时延缓电子传递速率，造成反馈性能下降；图3（d）中提升COD质量浓度至6 000 mg/L时，电压于24 h左右呈现下降趋势，并最终稳定在0.21 V，相较于低浓度COD时稳定电压出现较大程度降低.

图3 不同COD质量浓度条件下的电压变化Fig.3 Variation of voltage in different COD concentrations

反馈时间根据注入反应器中不同COD浓度所产生的电信号变化的斜率进行判断.针对每一进水COD浓度范围，通过不同的电信号反馈时间点对其反馈指标进行量化分析，针对不同的电信号变化情况分为加速率（电压上升速率）和沉降速率（电压下降速率）.

每一阶段基质注入反应器内直至电压达到稳定状态后变换浓度，电信号每间隔1 h进行记录，反馈时间点通过电压变化的斜率进行判断.变换不同水样时电压变化速率过程如图4所示.

图4 不同进水COD浓度下电压的变化速率图Fig.4 Change rates of voltage with different COD concentration

由图4可以看出：在进水浓度改变的前几个小时，电压变化幅度非常小，不论是在电压上升或者下降的情况下，变化速率都在0.001 V/h左右，这主要是由于反应器上流速度较慢，浓度的变化往往低于传感器变化的阈值，以至于在不同浓度混合后电压反馈信号变化较弱.在前几个小时内，电压变化速率微小直至第4 h时，电压变化速率明显提升（1 000～2 000 mg/L）.随着新浓度的溶液不断注入，反应器内溶液浓度不断提升，生物传感器经过一段时间的运行后，电压的变化速率明显发生变化.另一方面，在不同进水浓度范围下，MFC传感器的反馈时间点也有所差异.当进水COD质量浓度分别为1 000～2 000 mg/L、2 000～3 000 mg/L时，电压在第4 h的变化速率出现显著提升，分别达到0.008 V/h、0.007 V/h；而当进水COD质量浓度为4 000～5 000 mg/L时，电压的反馈时间为6 h；随着进水浓度的增加，在5 000～6 000 mg/L时电压的反馈时间最慢，为7 h，相比于较低浓度进水，电压的反馈出现明显的滞后现象.这是由于较低pH环境影响产电微生物活性，抑制电子传递速率.

2.3 pH对反馈过程的影响研究

pH作为重要的环境因素，不但可以影响微生物的生长速度和厌氧发酵体系中不同微生物种群的相对数量，而且还能够改变微生物的代谢“微环境”并促使代谢途径发生变化[15].表1所示为不同进水条件下，系统稳定状态时pH值与反馈性能之间的关系.

表1 不同进水条件下pH与反馈性能的关系Tab.1 Relation between pH values and feedback properties in different concentration

由表1可以看出：当系统进水COD质量浓度为1 000～3 000 mg/L时，系统稳定pH维持在6.2～6.8，此时稳定电压（0.27～0.36 V）及变换条件时的反馈时间（4 h）均维持在相对稳定、平衡的状态下；随着进水浓度不断升高，由于UASB系统在厌氧产酸发酵过程中积累大量挥发性脂肪酸，导致系统pH较低，当进水COD质量浓度提升至6 000 mg/L时，系统pH降至4.6.虽然水解酸化菌与产酸菌对pH值有较大范围的适应性，但产甲烷菌对pH值极为敏感，如果系统内pH值出现较低现象，产甲烷菌的生长环境便出现一定恶化，导致产甲烷菌的繁殖和新陈代谢受到抑制，无法利用乙酸生成甲烷，造成乙酸大量累积.同时较低的pH导致系统传感性能的抑制，反馈时间有所延迟.当进水COD质量浓度为5 000～6 000 mg/L时，系统反馈时间为7～9 h，相对于中性pH条件下系统对进水COD的反馈时间延迟3～5 h.在低pH值条件下，为维持平衡，挥发性有机酸大部分为不离解状态，未离解的挥发性有机酸会很快扩散进入微生物细胞，然后离解产生质子负荷，使胞内环境pH值降低，从而不利于传感.

挥发性脂肪酸（volatile fatty acid，VFA）作为厌氧消化过程重要的中间产物，其含量直接影响到系统内pH的变化情况.不同进水COD下VFA总量如图5所示.

图5 不同进水COD下VFA总量分布图Fig.5 Change in total VFA production at different COD concentrations

由图5可以看出：随着进水负荷的升高，系统中VFAs浓度逐渐增加，pH相应降低.VFAs总量由COD质量浓度为1 000 mg/L时的267 mg/L提升至COD质量浓度为6 000 mg/L的1 236 mg/L，产酸总量依次为COD 6 000 mg/L＞5 000 mg/L＞4 000 mg/L＞3 000 mg/L＞1 000 mg/L＞2 000 mg/L，其中COD 2 000 mg/L时产酸总量最少.此阶段厌氧消化过程进行较为彻底，系统环境条件适于产甲烷菌生长，有助于甲烷化阶段进行.结合表1中pH的变化情况，VFAs积累导致系统内pH降低，随着VFAs浓度的升高，pH从最初的6.2降至4.6；系统中pH分别稳定在4.6和5.8左右时，该pH条件有利于厌氧水解菌和产酸菌的产酸活动，由于产甲烷菌对pH较为敏感，在pH过低时，产甲烷菌的生长环境出现一定恶化，导致反应器中总酸产量较高，UASB系统内部崩溃.而且，VFA大量累积于反应器内，对微生物传感器性能有较大影响，严重延迟传感器对COD的反馈时间.由于MFC中产电微生物广泛分布于各种微生物菌群，且以Geobacter、Shewanella、Pseudomonas等金属异化还原菌为主，而产电微生物通过电子传递机制将化学能转化为电能，因此电子传递速率便成为制约传感器反馈时间的关键因素.杨永刚[16]发现，电极表面生物膜的形成是直接电子传递的基础，同时生物膜的形成有利于核黄素的产生，而后者可以大大提高产电菌的电子传递效率.本实验中挥发性脂肪酸的大量积累，一方面使系统长期处于酸化状态，抑制产电微生物的活性，另一方面这些物质的产生可能会阻碍生物膜细胞与电极的有效接触，抑制电子传递速率，延缓传感器对有机物质的反馈时间.

3 结论

在连续运行条件下，针对不同COD浓度考察MFC电信号的变化规律，对比MFC传感器对不同COD浓度的反馈性能，结果表明：

（1）在进水COD质量浓度为1 000～3 500 mg/L时，MFC稳定电压与进水浓度呈y=3.83×10-5x+0.25的线性增长关系，系统良好稳定的运行.当进水COD质量浓度提升至4 000～6 000 mg/L时，MFC稳定电压与进水浓度呈y=-5.95×10-5x+0.54的线性下降关系，反应器内部出现酸碱失衡，电信号逐渐下降，系统受到抑制.

（2）根据不同COD浓度所产生的电信号变化的斜率对反馈时间进行判断，当进水COD质量浓度为1 000～3 000 mg/L时，电信号对其反馈时间均为4 h左右；随着COD浓度提升，反馈时间有所延缓，在5 000～6 000 mg/L时，反馈时间最慢为8.6 h.

（3）pH是影响生物传感器反馈性能的重要因素，较高的进水负荷导致pH降低.当COD质量浓度为1 000～3 000 mg/L时，pH维持在6.0，此时挥发性脂肪酸总量为400 mg/L；随着进水COD质量浓度提高，挥发性脂肪酸产量增加、pH降低，且相对于中性pH条件下系统对进水COD的反馈时间延迟3～5 h.系统长期处于酸化状态，抑制电子传递速率，延缓传感器反馈时间.

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Influence of COD conditions on feedback characteristics of upflow anaerobic sludge bed reactor biosensor based on microbial fuel cell

JIA Hui1，2，YANG Guang1，2，FANG Hong-yan1，2，WANG Jie1，3，HE Zhi-chao1
（1.School of Environmental and Chemical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.State Key Laboratory of Separation Membranes and Membrane Processes，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；3.Tianjin Engineering Center for Safety Evaluation of Water Quality&Safeguards Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

The performance of electrical signal feedback of microbial fuel cell（MFC）-based biosensor in different COD condition was explored.The effect of pH on the feedback of MFC-based biosensor was studied by comparing the feedback time between the different COD condition.Results showed that the linear correlation between voltage and COD concentration was established.The feedback time was 4 h and the voltage increased linearly by y= 3.83×10-5x+0.25 with COD from 1 000 mg/L to 3 000 mg/L.The feedback time delayed to 8.6 h and pH declined to 4.6 simultaneously according to the accumulation of volatile fatty acid in the reactor with COD concentration and the voltage decreased linearly by y=-5.95×10-5x+0.54 with COD increasing from 4 000 mg/L to 6 000 mg/ L.In consequence，the activity of electrogenesis microorganism decreased and the electron transfer rate was restrained due to the acidic of this system.The feedback time of the MFC-based biosensor was put off as a result.

upflow anaerobic sludge blanket（UASB）；microbial fuel cell（MFC）；biosensor；feedback time；pH

TM911.45；X703.1

A

1671-024X（2016）06-0055-06

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.06.010

2016-09-22

国家自然科学基金面上项目（51378349）；天津市科技计划项目（15PTSYJC00230，14ZCDGSF00128）.

贾辉（1979—），女，博士，副教授，主要研究方向为膜法水处理技术，E-mail：ajiahui@163.com