浮萍热裂解处理及其在微生物燃料电池中的产电性能研究

王婷 李婕羚 韦士程 刘广立 骆海萍 张仁铎

摘  要： 以浮萍为生物质能原料，采用酸式热裂解进行预处理，考察了处理液在微生物燃料电池（MFC）中的产电性能.结果表明：浮萍热裂解最佳预处理条件为：反应温度160 ℃，反应时间80 min，草酸投加量3%（质量分数）.该条件下每克浮萍的还原糖产量为0.272 g，浮萍固体消化率可达到55%.当采用稀释10倍的热裂解液时，MFC的最大功率密度为521 mW·m-2，总内阻最小值为145.9 Ω，库仑效率（CE）最大值为12.1%.浮萍酸式热裂解液浓度的增加，对MFC输出的最大电压影响不大，化学需氧量（COD）的去除率均可达到91%以上，最终pH值在7.7～8.0.三维荧光光谱分析结果表明：水中的多种有机物均得到了有效的降解.在稀释20，10和5倍酸热裂解液条件下，厌氧醋菌属（Acetoanaerobium）相对丰度分别为30.1%，42.2%和33.8%.牦牛瘤胃菌属（Proteiniclasticum）在稀释20倍时相对丰度最高，为19.5%;在稀释5倍酸热裂解液条件下，产乙酸嗜蛋白质菌属（Proteiniphilum）相对丰度最高达到16.0%.

关键词： 浮萍; 热裂解; 微生物燃料电池（MFC）; 生物质能; 产电

Abstract： Duckweed， as raw material of biomass energy， was pretreated by using pyrolysis and then used for electricity generation in microbial fuel cell （MFC）. Experimental result showed that the optimized conditions for the pretreatment were： reaction temperature of 160 ℃; reaction time of 80 min， oxalic acid dosage of 3%， in which the reducing sugar reached 0.272 g for 1 g duckweed， and digestibility of duckweed reached at 55%. The maximum power density was 521 mW·m-2， the minimum total internal resistance was 145.9 Ω， and maximum Coulombic efficiency （CE） was 12.1%， when the pyrolyzed solution was diluted 10 times. COD removal ratio was more than 91% with concentrations of the pyrolyzed solutions increasing， and final pH was kept at 7.7-8.0， although the maximum voltage output of MFC was not apparently changed. The results of three-dimensional fluorescence spectrum analysis showed that all organic compounds in the influent were effectively biodegraded.The relative abundance of Acetoanaerobium was 30.1%， 42.2% and 33.8% corresponding to the solution dilution of 20， 10 and 5 folds， respectively.The highest relative abundance of Proteiniclasticum was 19.5% under the 20 folds diluted the hydrolyzed solution， while， the highest relative abundance of Proteiniphilum reached 16.0% under the 5 folds diluted the solution.

Key words： duckweed; pyrolysis; microbial fuel cell（MFC）; biomass energy; electricity generation

0  引 言

浮萍是一種漂浮在水面的水生植物，常见有紫背浮萍、少根紫萍和青萍等[1]，能够高效利用废水中的氮、磷转化为生物质，具有净化污水的能力，可用于富营养化水体的生态修复[2-3].此外，浮萍中淀粉、蛋白质含量较高，约1.34～4.54 d生物量可增加1倍，生长速度快[1，4]，可将浮萍进行能源化处理[2，4-5].浮萍经厌氧消化按每克挥发性固体计算，可获得390 mL的甲烷气体产量[6];采用1%（质量分数）的H2SO4预处理浮萍后，在35 ℃和pH=7的条件下，厌氧暗发酵，可达到最大产氢量为169.30 mL·g-1[7].因地制宜开展浮萍的生物质能的利用，对于可再生能源的发展具有重要的推动作用.微生物燃料电池（MFC）能够在温和条件下，通过微生物作用将有机物中的化学能直接转化为电能[8-9].目前，秸秆类生物质如玉米秸秆、小麦秸秆、稻杆等均可被MFC利用，并产电.在双室H型MFC中，接种纤维素降解菌，稻秆初始质量浓度为1 g·L-1时，功率密度可达到145 mW·m-2;当稻草质量浓度从0.5 g·L-1增加到1 g·L-1时，库仑效率（CE）从54.3%下降到45.3%[10].WANG等[11]用稀酸对稻草进行处理，当化学需氧量（COD）值为400 mg·L-1时，MFC最大功率密度为137.6 mW·m-2，将溶液电导率从5.6 mS·cm-1调整到17 mS·cm-1，最大功率密度提高到293.3 mW·m-2. JABLONSKA等[12]以菜籽秸秆为原料，通过水热预处理与酶解相结合，当还原糖质量浓度为150 mg·L-3时，双室MFC的最大功率密度达到54 mW·m-2. GURAV等[13]利用Shewanella marisflavi BBL25纯菌种，以大麦秸秆、芒草、松树的水解液为MFC的基质，MFC最大功率密度分别可达到52.8，40.9和34.0 mW·m-2.目前采用浮萍为基质的MFC产电特性尚未见相关报道，因此本研究开展了浮萍经预处理后，其水解液在MFC中的降解及产电的试验分析，以期为浮萍的综合利用及生物质能产电提供新的思路.

1  材料和方法

1.1 浮萍预处理

本研究采用青萍（Lemna minor）为研究对象，将收集到的新鲜浮萍用清水进行洗涤，以去除浮萍表面污垢、沙粒以及杂物，后将其放入烘箱内60 ℃烘干.将烘干后的浮萍用粉碎机粉碎，过60目筛，60 ℃烘干12 h后待用.热裂解预处理[14]：浮萍粉末选择固液质量比1∶20，水解反应温度分别为150，160，170和180 ℃，草酸质量分数分别为1.0%，2.0%，3.0%和4.0%，在水热反应釜中进行热裂解预处理.混合物以8 000 r·min-1的速度离心5 min，取其上层清液，用0.22 μm滤膜进行抽滤，滤液稀释不同倍数后用于MFC的进水.

1.2 MFC的启动与运行

1.2.1 阳极和阴极制作

碳纤维刷（直径为3.0 cm，长度为2.5 cm）450 ℃烧30 min后作为阳极使用.阴极由扩散层、不锈钢网支撑层和催化层构成.炭黑和聚四氟乙烯乳液辊压在不锈钢网支撑层一侧，经340 ℃烧30 min后，制得扩散层;活性炭为催化剂，将活性炭和聚四氟乙烯乳液（PTFE）混合辊压在不锈钢网另一侧形成催化层，最终阴极厚度为0.6 mm[15].

1.2.2 反应器启动与运行

反应器有效体积为28 mL，由有机玻璃组成（长、宽、高分别为4，4，4 cm），MFC外电路连接1 000 Ω电阻.以广州沥滘污水处理厂初沉池出水为接种液，缓冲液为50 mmol·L-1的磷酸盐缓冲液，以及微量元素和维生素[16]，基质为1 g·L-1的乙酸钠，温度为（30±3） ℃.每隔1～3 d更新缓冲液和基质，当反应器电压能够连续稳定维持在平台期3个周期以上，视为反应器启动成功.反应器启动成功后，将底物及50 mmol·L-1的磷酸盐缓冲液全部更换为不同稀释倍数的浮萍预处理液，选择NaOH调节水解液pH，使MFC的进水pH值均控制在6.0～7.0[9，17-18].

1.3 分析与计算方法

采用重铬酸钾滴定法测定COD，3，5-二硝基水杨酸比色法测定还原糖质量浓度.MFC的极化曲线通过变电阻法测得[19-20].电化学阻抗谱（EIS）测定中阳极为工作电极，阴极为对电极和参比电极（DH7001，江苏东华分析仪器有限公司），扫描范围为100～1×104 kHz，由高频向低频扫描，振幅为10 mV[21].三维荧光光谱仪（RF6000，日本岛津）测定不同时间MFC的出水[22].在MFC的产电曲线达到平台期后，对阳极碳纤维刷取样，DNA试剂盒进行DNA提取，1%的琼脂糖凝胶电泳检测成功后，使用通用引物338F（5'-ACTCCTACGGGAGCA-3'）和806R（5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'），对V3-V4区域的16S rDNA基因进行聚合酶链反应（PCR）扩增，扩增产物通过Illumina HiSeq测序平台进行测序及信息分析（北京百迈克生物科技有限公司）[9，23].MFC的库仑效率、功率密度等的计算方法见参考文献[24-25].

2  结果与分析

2.1 浮萍的预处理效果分析

不同反应时间下水解的温度和草酸的质量浓度对每克浮萍的还原糖产量的影响如图1所示.从图1中可以看出，当反应时间为40 min时，随着温度的升高，每克浮萍的还原糖产量逐渐升高，在草酸投加量为1 %（质量分数）的条件下，当温度从150 ℃升高到180 ℃时，还原糖产量从0.022 g（干重，下同）增加到0.046 g;随着草酸质量分数的增加，还原糖产量升高，在温度180 ℃的条件下，当草酸从1%增加到4%，还原糖产量从0.046 g增加到0.139 g.当反应时间为80 min，温度为160 ℃，草酸为3%时，还原糖最大产量为0.272 g;温度180 ℃，草酸为4%时，每克浮萍的还原糖产量反而下降至0.202 g.当反应时间为100 min，温度150 ℃，草酸为3%时，还原糖最大产量为0.269 g.综合上述结果，温度160 ℃，反应时间80 min，草酸质量分数为3%，为最优酸式热裂解反应条件，该条件下浮萍固体消化率可达到55%.需要特别说明的是，浮萍酸式热裂解后的残渣进行纤维素酶水解预实验结果表明：纤维素酶对浮萍酸式热裂解后的残渣没有显著的水解作用，可能的原因是，浮萍自身纤维素含量很低，且浮萍酸式热裂解后的残渣中无机物含量很高（质量分数约为50%），有机物含量较低，因此纤维素酶难以对残渣进行有效的纤维素水解反应.根据预实验结果，浮萍仅采用酸式热裂解处理，对其处理液进行MFC的产电实验.

2.2 不同稀释倍数的预处理液对MFC产电的影响分析

不同稀释倍数的热裂解液的MFC进水水质如表1所示.其对MFC产电曲线的影响结果如图2所示.从图2中可知，当采用稀释20倍的浮萍热裂解液时，MFC可稳定产电，输出最大电压约为（490±50） mV，产电周期平均为（48±6） h;当采用稀释10的浮萍热裂解液时，MFC的输出最大电压基本保持不变，仍为（490±40） mV，但运行的产电周期延长至（72±8） h;当采用稀释倍数为5倍的热裂解液时，MFC的输出最大电压达到（510±60） mV，产电周期延长至（120±10） h.浮萍热裂解液浓度的增加，对MFC的输出最大电压影响不显著，但使得运行周期延长了约2.5倍.

2.3 不同稀释倍数的预处理液条件下的MFC电化学特性分析

不同稀释倍数的热裂解液条件下MFC的极化曲线如图3所示.从图3中可以看出，当采用稀释20倍的热裂解液时，还原糖初始质量浓度为1.36 g·L-1，MFC在電流密度为1 452 mA·m-2时，达到最大功率密度443 mW·m-2;当采用稀释10倍的热裂解液时，MFC的最大功率密度为521 mW·m-2，此时电流密度为1 928 mA·m-2;当采用稀释5倍的热裂解液时，MFC在电流密度为1 480 mA·m-2的条件下，达到最大功率密度461 mW·m-2.稀释20，10和5倍的热裂解液在MFC的开路电压分别为594，523和553 mV.浮萍中除多糖外还含有蛋白质等其他组分，在预处理后，浮萍水解液的组成适合产电微生物的生长，因此浮萍水解液运行的反应器产电性能良好.

不同稀释倍数的裂解液条件下MFC的EIS如图4所示.将数据通过等效电路拟合可得：当稀释倍数为10倍时，MFC的欧姆电阻和电荷转移电阻均达到最小值，相应的MFC总内阻最小值为145.9 Ω.

2.4 MFC对有机物去除的变化分析

不同稀释倍数的热裂解液条件下MFC的COD值随时间的变化如图5所示.从图5中可以看出，当采用稀释5倍的热裂解液时，随着反应时间的延长，COD值不断降低，当反应时间从0 h增加到48 h时，COD值从初始的5 499 mg·L-1降低至626 mg·L-1，反应时间达到120 h时，出水COD值为220 mg·L-1.当采用稀释10倍的热裂解液时，在72 h内，COD值从初始2870 mg·L-1降低至133 m·L-1;当采用稀释20倍的热裂解液时，48 h内COD值可从1 577 mg·L-1降低至135 mg·L-1.在不同热裂解液的条件下，COD去除率均可达到91%以上，但库仑效率在稀释倍数为10时，达到最大值12.1%，最终出水pH值稳定在7.7～8.0之间，出水电导率因进水浓度不同而差异较大.

当采用稀释20倍浮萍热裂解液时，MFC出水在不同时间内的三维荧光光谱结果如图6所示.从图6可以看出，三维荧光光谱在出水的不同时间内不断发生变化，根据三维荧光平行因子分析，可以确定进水中包含有酪氨酸类、色氨酸类、溶解性微生物产物（SMP）类以及腐殖酸类有机物，在反应时间0～18 h内，主要是SMP类和腐殖酸类有机物发生降解.

2.5 MFC的阳极微生物群落变化分析

不同稀释倍数的酸式热裂解条件下MFC阳极菌落主要指数分析结果如表2所示.基因测序后的OTU数在270～355之间，随着热裂解液稀释倍数增加，ACE指数和Chao1指数增大，阳极群落总数变多;稀释10倍条件下Simpson指数和Shannon指数为最小，群落多样性变低.

不同稀释倍数的浮萍酸热裂解液条件下MFC的阳极生物膜菌落结构在门水平和属水平上分布如图7所示.在门水平上，主要菌群为Firmicutes和Bacteroidetes.在稀释20，10和5倍酸热裂解液的条件下，Firmicutes相对丰度分别为55.7%，51.8%和50.8%，Bacteroidetes相对丰度分别为23.4%，23.6%和25.6%.浮萍酸热裂解液中以Firmicutes相对丰度最高.在属水平上，未发现典型产电细菌Geobacter，而厌氧醋菌属（Acetoanaerobium）相对丰度较高，在稀释20，10和5倍酸热裂解液条件下，分别为30.1%，42.2%，33.8%.牦牛瘤胃菌属（Proteiniclasticum）在稀释20倍时相对丰度最高为19.5%;在稀释5倍的酸热裂解液条件下，乙酸嗜蛋白质菌属（Proteiniphilum）相对丰度最高达到16.0%.

3  结  论

1） 浮萍热裂解最佳预处理条件为：反应温度160 ℃，反应时间80 min，草酸质量分数3%.该条件下每克浮萍的还原糖产量为0.272 g，浮萍固体消化率可达到55%.

2） 当采用稀释10倍的熱裂解液时，MFC的最大功率密度为521 mW·m-2，此时电流密度为1 928 mA·m-2，MFC总内阻有最小值为145.9 Ω，库仑效率有最大值为12.1%.浮萍酸式热裂解液质量分数的增加，对MFC输出的最大电压影响不显著，COD去除率均可达到91%以上，最终出水pH值在7.7～8.0.三维荧光光谱分析结果表明，进水中的多种有机物均得到了有效的降解.

3） 在稀释20，10和5倍酸热裂解液条件下，Acetoanaerobium相对丰度分别为30.1%，42.2%和33.8%.Proteiniclasticum在稀释20倍时相对丰度最高，为19.5%;在稀释5倍酸热裂解液条件下，Proteiniphilum相对丰度最高达到16.0%.

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（責任编辑：郁慧）