反硝化菌生物阴极微生物燃料电池对模拟焦化废水的处理

胡 正,林山杉,李天宇,高 远

(东北师范大学环境学院,吉林长春 130117)

焦化废水主要来自焦炉煤气初冷和焦化生产过程中的生产用水及蒸汽冷凝废水，其成分复杂,含有大量酚类、联苯、吡啶、吲哚和喹啉等有机污染物，还含有氰、氨氮等有毒有害物质，污染物色度高，属较难生化降解的高浓度有机工业废水[1-2].

近年来，国内外研究了很多有效的焦化废水处理技术，李东伟等[3]采用UV-Fenton试剂对焦化废水进行氧化处理，结果表明，经过UV-Fenton 氧化处理后的焦化废水的COD去除率可达到86%以上，挥发酚基本被完全去除.Sun等[4]以炭纳米管和聚四氟乙烯为涂层的改性电极处理焦化废水生化出水，COD去除率达到51%，有机物数量减少.但目前各处理技术单独使用均具有一定的局限性，无法兼顾处理效果良好、投资运行费用低、无二次污染的要求.

随着微生物燃料电池(MFC)技术在处理有机废水方面的广泛研究[5-6]，MFC技术开始利用到焦化废水的处理中.张翠萍等[7]构建了以毛刷作为电极、铁氰化钾作为阴极电子受体的双极室MFC处理含喹啉和吡啶的废水;骆海萍等[8]构建了碳纸阳极和单面镀铂阴极的双室MFC处理苯酚废水；范小丰等[9]利用焦化废水作为基质对MFC进行产电的研究；另外，陈少华[10]、汪家权等[11]利用MFC处理苯酚废水，均取得良好的去除效果.

本研究通过筛选出具有良好厌氧反硝化性能的菌群作为生物阴极构建MFC处理模拟焦化废水，利用微生物产生的电能将其中的有机物迁移到阴极而被去除，并测定出水中有机物浓度的变化，结合COD的降解，探究MFC对模拟焦化废水的处理效果.

1 实验部分

1.1 材料与设备

1.1.1 菌种来源 某焦化厂A2/O工艺的缺氧池活性污泥.

1.1.3 仪器与试剂 所用的化学试剂均为分析纯.TU-1091双光束紫外可见光度计；BN2823电子天平；TDL-40B台式飞鸽牌系列离心机；YM30智能型不锈钢立式压力蒸汽灭菌器.反硝化细菌扩大培养培养基：白糖13.2 g·L-1，KNO32 g·L-1；K2HPO40.5 g·L-1；MgSO4·7H2O 0.2 g·L-1；FeSO4·7H2O 0.05 g·L-1；CaCl20.028 g·L-1；调节pH 至7.5～8.0,115 ℃灭菌30 min.

1.2 反硝化菌的筛选

1.2.1 菌源活性污泥分离纯化 加100 mL反硝化细菌富集培养基于250 mL的锥形瓶中，接种适量活性污泥.在30 ℃，160 r·min-1的摇床上培养24 h.重复富集后，经显微观察发现培养基中微生物数量较多，活性良好，污泥驯化培养已经成熟，进行10倍浓度梯度稀释至10-10.稀释液均取0.1 mL分别涂布至平板上于30 ℃下培养.通过平板划线技术获得纯化的单菌落，进行革兰氏染色，并在显微镜下观察细菌形态.

1.2.2 反硝化能力验证 为了验证菌株的反硝化能力，无菌环境下，挑取2～3环已分离并保存在斜面上的菌株，分别接种到装有150 mL反硝化细菌扩大培养基中，在30 ℃，转速160 r·min-1摇床中分别培养24 和48 h，通过分光光度法分别测定空白培养基和离心后上清液硝酸盐氮的含量，计算得出各菌株硝酸盐氮去除率，筛选出具有高效反硝化能力的单株优势菌.

1.2.3 单株优势菌与组合优势菌反硝化能力对比试验 在250 mL锥形瓶中分别加入20 mL经反硝化能力验证得到的单株优势菌液，用10%焦化废水的反硝化细菌扩大培养基定容到100 mL.在30 ℃，转速为160 r·min-1摇床中培养24和48 h，分别测定其离心后上清液硝酸盐氮去除率和OD600的含量(以空白培养基作为对照).同时将上述单株优势分别进行三株、四株和五株等体积混合(混合后总体积为20 mL)进行对比试验，选出去除效果最好的组合作为实验用菌.

1.3 MFC系统装置及搭建

阴极由两个直径为2 cm、高为13 cm的PVC管，外面包裹经石墨烯修饰过的碳布(9 cm×8 cm)组成，由铜线连接引出电极，将PVC管放置反硝化菌群中吸附饱和后[13]，放入30 ℃ 恒温培养箱中密封静置培养3 d，待系统搭建时取出.阳极由一块17.5 cm×12 cm的不锈钢网(开孔率为60%～70%)制成直径为5.5 cm，高为12 cm圆柱形不锈钢网组成，电极由铜线导出，阳极区填充一定量的活性炭颗粒.

实验系统由正方体的有机玻璃槽(14.7 cm×14.7 cm×15.5 cm)构成，有效容积为3.4 L(图1).搭建系统前，先将吸附饱和后的阴极PVC管插入到阳极铜网内，并用塑料膜上下固定，将准备好的MFC插入电池区，串联2个MFC，然后加入系统容积10%的新鲜污泥(约300 mL)，再加入定量配置的模拟焦化废水，密封处理后厌氧培养.将MFC与外接电阻连接，电压测量仪与电脑相连测量电阻两端的路端电压，并定时取样，测定系统水样COD及水样中有机物浓度.通过紫外分光光度法同时测定苯酚、吡啶、喹啉和吲哚四组分有机物浓度，当浓度设置在0～50 mg·L-1时，相对误差较小，测定更准确.因此模拟废水设置苯酚、吡啶、喹啉、吲哚等浓度分别为25.0,6.0,9.0和9.0 mg·L-1.

1.4 性能分析

利用电压表(UT61E)连接电脑在线测定MFC的路端电压，每隔30 min自动采集和保存；COD采用重铬酸钾法测定；电流密度和功率密度计算如下:

其中，I为电流密度(mA·m-2);P为功率密度(mW·m-2);U为MFC电压(mV);R为外部电阻(Ω);A为阳极的有效面积(m2).

有机物苯酚、吡啶、喹啉和吲哚浓度通过双光束紫外可见光度计建立吸光度-浓度方程测得，由于吸光度具有加和性，即混合物的总吸光度等于混合物中各组分的吸光度之和，通过一系列有机物标曲制定，建立吸光度-浓度方程，采用解联立方程法求得混合物中各组分的含量[13].混合物中有四组分苯酚、吡啶、喹啉和吲哚，则有

Aλ=εijC1b+εijC2b+εijC3b+εijC4b,(3)

Aλ(i=1…，4)为在波长256，270，288.5和313 nm处测得混合物的总吸光度之和，C1，C2，C3，C4为混合物中各组分的浓度；εij为各组分(j=1…,4)在对应波长λi处吸光系数(L·mg·cm-1)或称毫克分子吸收率，可由各纯组分标准溶液的吸光度测量求得，b=1 cm(石英比色皿光程).实验得出吸光度-浓度方程如下

2 结果与讨论

2.1 反硝化菌的筛选

2.1.1 反硝化菌的分离纯化结果 如表1所示，反硝化菌培养2 d后，添加了焦化废水的培养基和基础培养基中均生长出菌落，其中没有加焦化废水的培养基上生长的菌株比添加焦化废水的培养基单一，整个培养基上占优势的主要是直径约3～5 mm边缘整齐的圆形菌落.添加了焦化废水的培养基上，菌落的形态比较丰富，出现了2株基础培养基中没有的菌株形态，并且菌落的分布较均匀.最终通过平板划线技术从焦化废水的培养基中分离出12株纯的单菌落，记为F1～F12.

表1 菌落的形态

2.1.2 反硝化能力验证结果 表2为单菌株对硝酸盐氮降解情况，可以看出，F1，F5，F6，F7，F12对硝酸盐氮去除较好，48 h可达80%以上，而其他菌株硝酸盐氮去除较低，排除优势菌株的可能.因此确定F1，F5，F6，F7，F12为优势菌.

2.1.3 单株优势菌与组合优势菌反硝化能力对比试验结果 由于焦化废水成分复杂，有毒有害难降解的物质含量高，工艺上一般选用混合的菌组来进行生物降解，以弥补单株菌株抗逆性差的缺点,结果见表3和表4所示.表4中组合反硝化菌群24和48 h对硝酸盐氮去除效率明显优于表3中各株单株优势菌，且OD600均呈上升趋势，表明菌株生长稳定，其中混菌中5株混合菌F1+F5+F6+F7+F12对硝酸盐氮去除效果最佳，48 h对硝酸盐氮去除率可达99%，因此选用F1+F5+F6+F7+F12组合菌为实验用菌.

表3 优势菌硝酸盐氮去除率和OD600

表4 优势菌组硝酸盐氮去除率和OD600

2.2 MFC产电性能

MFC在启动运行期的电压曲线见图2所示，可以看出，反硝化菌生物阴极MFC产电正常，系统电压总体呈现先升后降的趋势，反应初期电压先经历一个滞后期，随后快速上升，体现了微生物在阴极生长的过程，吸附在阴极上的反硝化菌适应环境后，快速大量繁殖，电压开始增长，44 h后达到最高点，最大电压可达495 mV，期间电压略有微小波动，可能为电极晃动所致，电压保持相对高的时间有72 h，产电稳定，整体MFC的电压处在一个较高的水平，产电效果良好.反应后期随着系统内有机物消耗，产电性能下降，电压逐渐降低.

2.3 MFC功率密度及极化曲线

微生物燃料电池的电压、电极极化行为、功率输出都与电路中的电流密切相关，通过改变微生物燃料电池的外接电阻来改变电流，以研究微生物燃料电池电压对电流变化的响应，得到微生物燃料电池的最大功率.在电压稳定后,改变外电阻(10～1 000 Ω得到微生物燃料电池的功率密度曲线和极化曲线，如图3所示，当电阻由10增加到200 Ω时，功率密度由4.87增至29.23 mW·m-2;当负载电阻为200 Ω时，功率密度达到最大值;当负载电阻由200增加到1 000 Ω时，MFC的功率密度由29.23下降到14.08 mW·m-2，相较于丁擎等[14]在利用单室微生物燃料电池处理黑水产电的实验研究中得到的120 mW·m-2g功率较小.由极化曲线线性区域估算系统的内阻，本MFC内阻为198 Ω,与其他研究相比该试验的内阻较小[15-16]，说明反硝化菌生物阴极MFC的电极结构在电子传递的过程中阻力较小.

图2 电压随时间变化情况

2.4 COD和有机物去除

COD是评价废水的一项重要指标，它的去除率可以反映废水处理效果的好坏.COD通过重铬酸钾法测得，测得系统运行期间COD和苯酚等浓度变化，结果如图4和图5.

图3 MFC极化曲线和功率密度图

图4 COD随时间变化情况

图5 有机物浓度变化情况

图4为运行10 d内COD变化情况，可知，COD变化呈先升后降的趋势(原水COD为131.5 mg·L-1)，前期COD上升可能是由于系统运行初期，污泥和水混合不稳定未被反硝化菌利用所致，结合MFC原理,前期COD浓度上升反映了微生物对底物的适应过程，初期微生物的代谢作用较缓,代谢速率低于阳极底物自身发酵作用，所以阳极底物COD会升高，而随着微生物充分适应底物，电压逐渐稳定后,微生物代谢作用开始强于阳极底物发酵作用，阳极区底物被消耗，COD开始降低，最终出水COD稳定在40.0 mg·L-1左右(去除率70%)，由此得知稳定运行后，系统在稳定产电的同时可以有效去除有机物，阳极区活性污泥提供的碳源可以很好地降解为小分子有机物，被吸附固载在活性炭纤维上的反硝化菌所利用.

图5为模拟废水中代表性有机物苯酚、吡啶、吲哚与喹啉浓度随时间的变化情况.由图5可知，苯酚、吡啶、吲哚与喹啉4种有机物浓度在反应周期内均随着时间的变化呈现逐渐下降趋势，前2 d苯酚等浓度变化趋势较缓慢，这是由于运行初期微生物对环境的适应过程，此时生物代谢较缓慢，对有机物降解速率慢，因此浓度变化较小;经过2 d的适应期后，微生物开始大量繁殖，代谢加快，稳定产电的同时对苯酚等有机物降解速率开始明显加快，运行末期，测得模拟废水中苯酚去除率可达61%，吡啶，吲哚，喹啉等有机物也均达到30%左右，去除效果良好，表明该系统在稳定产电同时可有效去除模拟焦化废水中苯酚等代表性有机物，为实际焦化废水的去除提供一定参考.文中主要针对焦化废水中代表性有机物苯酚等在MFC运行期间的去除做了研究，而对于焦化废水中氨、氰、硫氰根等无机污染物存在下MFC运行效果及微生物生长状况并未进行深入研究，后续研究可以在此基础上加强，为实际废水的去除提供更好的方法.

3 结束语

通过从焦化厂缺氧池活性污泥中筛选出具有良好反硝化性能的菌群，对焦化废水中代表性有机物去除具有良好的促进效果，将其作为生物阴极吸附在活性炭纤维柱上，以厌氧活性污泥为阳极区底物，不锈钢网和活性炭颗粒为阳极，构建反硝化菌生物阴极MFC处理模拟焦化废水.实验结果初步表明，与单株优势菌相比，优势混合菌群具有更强的反硝化能力，48 h硝酸盐去除率均可达99%.运行期间，MFC系统产电性能较好，输出电压较稳定，最高达495 mV，表观内阻较低(198 Ω)，功率密度最高达29.23 mW·m-2.反硝化菌生物阴极MFC对焦化废水代表性有机物、COD具有良好的去除效果，其中COD去除率达70%；苯酚、吡啶、喹啉与吲哚等有机物均有所去除，苯酚的去除率达到61%，吡啶，喹啉与吲哚等去除率也达到30%，表明生物阴极MFC具有良好的处理效果，在稳定产电的同时可以有效除焦化废水中苯酚等代表性有机物，为焦化废水的处理提供很好的方法.