王海曼，曲有鵬，何偉華，馮玉杰

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090；2.城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150080)

連續(xù)攪拌微生物電化學(xué)系統(tǒng)處理高濃度模擬廢水的效能

王海曼1,2，曲有鵬1,3，何偉華1,2，馮玉杰1,2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090；2.城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150080)

微生物電化學(xué)系統(tǒng)在面向?qū)嶋H廢水處理時(shí)，表現(xiàn)出產(chǎn)電性能下降、出水水質(zhì)差等缺點(diǎn).為了提高其處理中高濃度、含發(fā)酵類底物廢水的性能，將連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器與之耦合，構(gòu)建一體式連續(xù)攪拌微生物電化學(xué)系統(tǒng)(CSMER).確定系統(tǒng)的最佳運(yùn)行條件：以連續(xù)流方式運(yùn)行，在水力停留時(shí)間為12 h，進(jìn)水COD 濃度為6 000 mg·L-1時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)4個(gè)電池的最大功率密度分別達(dá)(583±9),(562±7),(533±10)和(572±6) mW·m-2，COD 去除率為(87.1±1.1)%，甲烷產(chǎn)率為(1.48±0.15)L·L-1·d-1.與對(duì)照的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器相比，其COD去除率及甲烷產(chǎn)率分別提高了61.6%及244.2%.焦磷酸測(cè)序結(jié)果表明，CSMER底端的全混流攪拌區(qū)(CMZ)以Clostridium(10.0%)、Acidaminococcus(11.7%)及Lactococcus(10. 8%)等水解發(fā)酵菌群為優(yōu)勢(shì)細(xì)菌菌屬；頂端的微生物電化學(xué)區(qū)(MEZ)以產(chǎn)電菌Geobacter(14.5%)占優(yōu)勢(shì).CSMER中相對(duì)復(fù)雜的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)使其同時(shí)含有豐度較高的嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌科(52.2%)和嗜氫產(chǎn)甲烷菌科(47.1%)，而底端CMZ的厭氧消化過(guò)程與頂端MEZ的產(chǎn)電過(guò)程之間的協(xié)同作用是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)性能優(yōu)于對(duì)照反應(yīng)器的主要原因.

連續(xù)攪拌微生物電化學(xué)系統(tǒng)；連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器；電能輸出；COD去除率；焦磷酸測(cè)序

微生物電化學(xué)系統(tǒng)(microbial electrochemical systems, MESs)是以電化學(xué)活性細(xì)菌為催化劑將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，將有機(jī)物分解代謝的同時(shí)，能夠以電能、清潔能源(氫氣)或生成有用代謝副產(chǎn)物等方式回收能量[1].MESs與其他技術(shù)相耦合衍生出多種具有不同功能的系統(tǒng)，包括微生物電解池(microbial electrolysis cell, MEC)、微生物脫鹽電池(microbial desalination cell, MDC)及微生物光電池(microbial photoelectrochemical solar cell, MPC)等[2].由于具有適用溫度范圍廣、污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點(diǎn)，MESs在廢水生物處理、生物質(zhì)能源開發(fā)和利用等方面受到廣泛關(guān)注.

盡管已有報(bào)道證明電化學(xué)活性菌可以利用多種有機(jī)物，但大多數(shù)MESs在處理含發(fā)酵類底物及中高濃度廢水時(shí)都表現(xiàn)出產(chǎn)電性能下降、出水水質(zhì)差等缺點(diǎn)，這些因素是限制MESs在實(shí)際廢水處理中大規(guī)模應(yīng)用的重要瓶頸[3].鑒于厭氧消化系統(tǒng)在處理高濃度有機(jī)廢水方面的顯著優(yōu)勢(shì)，將其與MESs有效地結(jié)合，為推進(jìn)MESs面向?qū)嶋H廢水處理應(yīng)用開辟了途徑.目前已有多種厭氧反應(yīng)器被有效地整合于MESs中，包括升流式厭氧污泥床(UASB)、厭氧流化床(AFB)及厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)等，這些整合系統(tǒng)在處理蔗糖配水、酒精蒸餾廢水及玉米秸稈產(chǎn)乙醇工藝洗液廢水時(shí)表現(xiàn)出較好的水處理效果及電化學(xué)性能[4-6].連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(continuous stirred tank reactor, CSTR)因具有傳質(zhì)性好、反應(yīng)速率快及操作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而成為應(yīng)用較為廣泛的反應(yīng)器之一[7].在兩相厭氧發(fā)酵技術(shù)中，CSTR常被作為產(chǎn)酸相裝置，并表現(xiàn)出水解酸化效率高、生物量大的特點(diǎn)[8].CSTR可與多種形式的MESs整合，并表現(xiàn)出不同的功能.將MDC浸沒(méi)于CSTR中構(gòu)建浸沒(méi)式MDC，可以顯著降低CSTR中氨氮濃度，從而緩解高氨氮對(duì)厭氧消化過(guò)程的抑制作用[9].另外，將MEC串聯(lián)于CSTR之后，通過(guò)二者的耦合發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高整合系統(tǒng)的氫氣回收率，達(dá)到梯級(jí)產(chǎn)氫的目的[10].然而，這些整合系統(tǒng)多使用鉑碳作為陰極催化劑，大量使用陰陽(yáng)離子交換膜作為分隔材料，極大地增加了整合系統(tǒng)的構(gòu)建成本、提高了系統(tǒng)構(gòu)型的復(fù)雜程度且不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此，限制了其在實(shí)際廢水處理中的應(yīng)用.

本研究將CSTR與MES整合，構(gòu)建了一體式連續(xù)攪拌微生物電化學(xué)系統(tǒng)(continuous stirred microbial electrochemical reactor, CSMER).考察運(yùn)行方式、水力停留時(shí)間、進(jìn)水COD濃度對(duì)系統(tǒng)性能的影響；同時(shí)平行運(yùn)行一連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(continuous stirred tank reactor, CSTR)，考察微生物電化學(xué)反應(yīng)與厭氧消化過(guò)程的協(xié)同作用對(duì)整合系統(tǒng)底物去除效果和運(yùn)行穩(wěn)定性的影響.并采用高通量測(cè)序?qū)SMER內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，考察其在整合系統(tǒng)電能輸出及水處理效能方面的作用.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 連續(xù)攪拌微生物電化學(xué)系統(tǒng)(CSMER)

連續(xù)攪拌微生物電化學(xué)系統(tǒng)(continuous stirred microbial electrochemical reactor, CSMER)由有機(jī)玻璃制成，其底端為圓柱狀的全混流攪拌區(qū)(CMZ)(內(nèi)徑175 mm×高94 mm)，頂端為長(zhǎng)方體的微生物電化學(xué)區(qū)(MEZ)(長(zhǎng)125 mm×寬175 mm×高175 mm)，有效容積為4 L(圖1)[11].該系統(tǒng)以三相分離器作為固體、液體及氣體的分離裝置.MEZ分別以碳纖維刷(12支，刷直徑40 mm，長(zhǎng)100 mm)和不銹鋼網(wǎng)輥壓陰極(4片，長(zhǎng)55 mm×寬105 mm)作為陽(yáng)極和陰極材料[12].12支碳纖維刷固定于MEZ頂端，4片輥壓陰極分別位于MEZ的4個(gè)面，其中每3支碳纖維刷和一片輥壓陰極構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的微生物燃料電池，并以10 Ω外阻連接，則整個(gè)MEZ由4個(gè)相同且獨(dú)立的微生物燃料電池組成，但4個(gè)電池共用來(lái)自CMZ的電解液.同時(shí)平行運(yùn)行一個(gè)連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(continuous stirred tank reactor, CSTR)，其構(gòu)型及有效容積與CSMER相同，但無(wú)微生物電化學(xué)區(qū)，對(duì)比兩個(gè)系統(tǒng)的性能差異.

圖1 連續(xù)攪拌微生物電化學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型

1.2 系統(tǒng)的接種與運(yùn)行

接種污泥(1 L)取自本實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期運(yùn)行的處理纖維素廢水的CSTR，經(jīng)蔗糖配水在厭氧條件下馴養(yǎng)15 d后接種.試驗(yàn)采用模擬廢水，成分為0.9 g·L-1蔗糖、0.13 g·L-1KCl、3.32 g·L-1NaH2PO4·2H2O、10.32 g·L-1Na2HPO4·12 H2O、微量金屬溶液(12.5 mL·L-1)和維他命溶液(5 mL·L-1)[13-14].

系統(tǒng)在連續(xù)流條件下啟動(dòng)(HRT為24 h, COD為 1 000 mg·L-1)，待獲得穩(wěn)定電壓輸出后，考察運(yùn)行方式(連續(xù)流與間歇流)、水力停留時(shí)間(HRT為18、12及6 h)和進(jìn)水COD濃度(COD為2 000、4 000及6 000 mg·L-1)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)電及水處理效能的影響，確定其最優(yōu)的運(yùn)行參數(shù).并分析系統(tǒng)內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)的空間分布，考察其對(duì)系統(tǒng)效能的影響.

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

電壓輸出由PISO-813系列數(shù)據(jù)采集卡(泓格科技)完成，每間隔30 min保存一次數(shù)據(jù).極化曲線及功率密度曲線采用單周期變電阻法測(cè)量，在每一個(gè)外阻下穩(wěn)定1 h后記錄相應(yīng)的即時(shí)輸出電壓值.利用交流阻抗法測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)阻，有效電路為R(QR)(QR)，利用 ZSimpWin3.10 軟件擬合[15].COD的測(cè)試采用重鉻酸鉀滴定法[16].氣體組分通過(guò)裝有熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)的氣相色譜(Agilent GC 7890A, 美國(guó))分析，氣體體積采用濕式氣體流量計(jì)(LML-1, 中國(guó))測(cè)量.高通量焦磷酸測(cè)序由上海生工公司通過(guò)美國(guó) Roche 454 GS-FLX Titanium 測(cè)序系統(tǒng)完成[17].

2 結(jié)果與分析

2.1 運(yùn)行方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響

CSMER以連續(xù)流運(yùn)行方式啟動(dòng)，HRT為24 h，通過(guò)逐級(jí)降低外阻的方式馴化陽(yáng)極產(chǎn)電菌.經(jīng)過(guò)500 h的馴化，最終在10 Ω外阻下獲得穩(wěn)定的電流輸出，4個(gè)電池的平均電流密度輸出分別為(3.21±0.11)、(3.06±0.07)、(2.98±0.12)和(3.13±0.05) A·m-2(圖2(a)).改為間歇流后，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)兩個(gè)周期的運(yùn)行，輸出電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，各個(gè)周期的平均峰值電流密度輸出為(2.66±0.03)、(2.65±0.07)、(2.58±0.08)、(2.58±0.07) A·m-2(圖2(a)).

連續(xù)流運(yùn)行條件下，4個(gè)電池的總內(nèi)阻分別為15.28、16.98、26.63及16.58 Ω(圖2(b)).由于4個(gè)電池構(gòu)型相同且共用同一電解液，其歐姆內(nèi)阻基本一致，分別為5.17、5.12、6.09及5.02 Ω.電池3的電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻較高(16.32 Ω)，導(dǎo)致其總內(nèi)阻高于其他3個(gè)電池.原因可能是系統(tǒng)的出水口安裝在電池3陰極的正前方，氧氣通過(guò)出水口擴(kuò)散進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，導(dǎo)致電池3陰極周圍的溶解氧濃度明顯高于其他3片電極，促使其附近好氧菌快速繁殖并附著于陰極催化層表面，堵塞了催化層孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電子在電極上的傳質(zhì)阻力增加，從而增大了電池3的電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻[18].較連續(xù)流相比，間歇流運(yùn)行條件下系統(tǒng)各電池的內(nèi)阻分別增大至32.46、33.85、38.66及32.27 Ω.其中歐姆內(nèi)阻基本不變，但電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻及擴(kuò)散內(nèi)阻均有所增加(圖2(c)).可能是連續(xù)流狀態(tài)下，溶液處于流動(dòng)狀態(tài)，存在對(duì)流、湍流等作用，有利于質(zhì)子在溶液中的擴(kuò)散，從而為陰極氧還原反應(yīng)提供足夠的質(zhì)子，提高了氧還原反應(yīng)速率，強(qiáng)化了電極催化反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，因此，降低了電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻及擴(kuò)散內(nèi)阻，提高了其產(chǎn)電性能[19].而間歇流條件下，用于陰極氧還原反應(yīng)的質(zhì)子僅依靠電解液的緩沖作用提供，從而限制了氧還原反應(yīng)速率.另外，在間歇流運(yùn)行條件下，電池3的電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻(17.93 Ω)與其他3個(gè)電池差別不大(17.97、18.91及18.12 Ω)，原因可能是經(jīng)過(guò)近1 000 h的運(yùn)行，4片陰極上生物膜的附著-脫落過(guò)程均已經(jīng)達(dá)到各自平衡狀態(tài)，其生物量及生物膜厚度基本一致，對(duì)陰極催化層的影響程度無(wú)明顯差別[20]，因此，間歇流條件下4個(gè)電池總內(nèi)阻的差別不如連續(xù)流條件下的差異明顯.

“24以上、40歲以下的軍人，給我站出來(lái)！”馬國(guó)平凝視著在山坳里集合起來(lái)的連隊(duì)，突然大吼一聲，如同平地驚雷。

圖2 不同運(yùn)行方式下的電流輸出及Nyquist 曲線

Fig.2 Electricity generation and Nyquist plot of CSMER under continuous and batch feeding modes

2.2 水力停留時(shí)間對(duì)系統(tǒng)性能的影響

改變進(jìn)水流速，考察不同水力停留時(shí)間(HRT為18、12 及6 h)下系統(tǒng)的性能.當(dāng)HRT由18 h下降到12 h時(shí)，4個(gè)電池的平均電流密度輸出由 (3.39±0.02) A·m-2提高到(4.03±0.05) A·m-2.但繼續(xù)降低HRT至6 h 時(shí)，平均輸出電流密度下降至(2.58±0.05) A·m-2，且電流輸出的波動(dòng)明顯增大(圖3(a)).

在HRT由18 h下降到6 h的過(guò)程中，4個(gè)電池的最大功率密度均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，在HRT 為 12 h時(shí)，均達(dá)到最大值，分別為(583±9)、(562±7)、 (533±10) 和 (572±6) mW·m-2(圖3(b)).當(dāng)HRT下降到6 h 時(shí)，4個(gè)電池的最大功率密度分別降低了15.9%、17.1%、14.9% 及16.5%.因此，從穩(wěn)定電流值及最大功率密度輸出值考慮，HRT為12 h有利于系統(tǒng)的電能輸出.

圖3 不同水力停留時(shí)間下CSMER的產(chǎn)電性能

Fig.3 Electricity production of CSMER at different hydraulic retention time

2.3 進(jìn)水COD 濃度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在HRT為 12 h 條件下，逐漸提高進(jìn)水COD濃度，增大系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷(4、8、12 kg·m-3·d-1)，考察系統(tǒng)的電能輸出及水處理效果.隨著有機(jī)負(fù)荷的增加，系統(tǒng)的電流輸出無(wú)明顯變化，其平均電流密度輸出分別為(4.05±0.02)、(4.02±0.07)及(3.71±0.05) A·m-2(圖4).在有機(jī)負(fù)荷為4～12 kg·m-3·d-1內(nèi)，系統(tǒng)的COD去除率隨進(jìn)水負(fù)荷的增加而增加，當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷提高到12 kg·m-3·d-1時(shí)，COD去除率達(dá)到最大值(87.1±1.1)%.一般厭氧消化系統(tǒng)的處理負(fù)荷在5～25 kg·m-3·d-1內(nèi)，因此，該系統(tǒng)已達(dá)到厭氧系統(tǒng)的處理水平[21].在一定范圍內(nèi)，進(jìn)水負(fù)荷的提高并沒(méi)有影響系統(tǒng)的產(chǎn)電性能，說(shuō)明系統(tǒng)的抗負(fù)荷沖擊能力較強(qiáng).原因可能是反應(yīng)器底端的全混流攪拌區(qū)(CMZ)的微生物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能夠分解進(jìn)水中的大部分有機(jī)物，從而使進(jìn)入到頂端微生物電化學(xué)區(qū)(MEZ)的有機(jī)物濃度基本保持不變，不影響系統(tǒng)的產(chǎn)電性能.研究表明，在處理含發(fā)酵類底物及成分復(fù)雜的中高濃度有機(jī)廢水時(shí)，各類微生物種群之間的協(xié)同作用對(duì)于提高微生物電化學(xué)系統(tǒng)(MESs)的污染物去除效果和產(chǎn)電性能具有重要作用.尤其是發(fā)酵菌群與產(chǎn)電菌群之間的協(xié)同及互養(yǎng)作用，對(duì)于產(chǎn)電菌群利用復(fù)雜底物進(jìn)行產(chǎn)電至關(guān)重要.在以餐廚垃圾滲濾液為底物的MESs中，陽(yáng)極的優(yōu)勢(shì)菌屬為Geobacter(37.7%) 和Bacteroides(34.7%)，另外包括少量的Veillonella、Enterococcus、Eubacterium、Spirochaeta及Fusobacterium.其中Bacteroides及其他發(fā)酵菌群的作用主要是水解復(fù)雜有機(jī)物，為Geobacter提供底物，進(jìn)行產(chǎn)電[22].在利用剩余污泥產(chǎn)氫的雙室MESs中，其陽(yáng)極也發(fā)現(xiàn)了各類產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌，包括Paludibacter、Petrimonas、Oscillibacter及Anaerovorax等.這些發(fā)酵細(xì)菌的主要作用是將不同種類的糖和胺類物質(zhì)發(fā)酵為有機(jī)酸，然后有機(jī)酸再被產(chǎn)電菌利用進(jìn)行產(chǎn)電[10].

在試驗(yàn)過(guò)程中，同時(shí)平行運(yùn)行了一個(gè)CSTR，考察兩個(gè)系統(tǒng)效能的差異.每次提高進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷后，兩個(gè)系統(tǒng)的出水COD濃度均在4～6 d內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)定水平，表明二者的穩(wěn)定性較好.另外，在有機(jī)負(fù)荷由4提高至12 kg·m-3·d-1的過(guò)程中，CSMER的COD去除率由82.3%提高至87.1%，且CSTR的去除率也始終保持在53.3%左右.當(dāng)進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷為12 kg·m-3·d-1時(shí)，CSTR的COD去除率及甲烷產(chǎn)率分別為(53.9 ±2.1)%和(0.43±0.09) L·L-1·d-1.較CSTR相比，CSMER的COD去除率及甲烷產(chǎn)率分別提高了61.6% 及244.2%.另外，CSTR中氫氣產(chǎn)率為(0.43±0.11) L·L-1·d-1，而CSMER中并沒(méi)有檢測(cè)到氫氣的產(chǎn)生.結(jié)果表明，CSMER中存在產(chǎn)甲烷菌，以產(chǎn)甲烷為主，而根據(jù)CSTR中丁酸/乙酸的比值(1.7)，該系統(tǒng)以產(chǎn)氫發(fā)酵為主，主要存在產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌[23].導(dǎo)致兩個(gè)系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)存在差異的原因是CSMER中CMZ與MEZ在空間上的分離，進(jìn)水中的大分子有機(jī)物首先在CMZ被水解酸化為小分子的揮發(fā)酸，沿著水力方向大部分揮發(fā)酸進(jìn)入到MEZ供產(chǎn)電菌利用進(jìn)行產(chǎn)電，揮發(fā)酸的不斷移除緩解了其對(duì)CMZ產(chǎn)甲烷菌群的抑制作用，從而有利于該區(qū)域產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng).除考察了系統(tǒng)的運(yùn)行效能外，還對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建成本進(jìn)行分析.由于CSMER采用單室結(jié)構(gòu)，且以價(jià)格低廉的輥壓電極作為陰極，在很大程度上降低了系統(tǒng)構(gòu)建成本，因此，用于制備陰陽(yáng)極材料的成本僅占系統(tǒng)總造價(jià)的11.3%.相比CSTR，其構(gòu)建成本僅提高12.8%.

圖4 不同有機(jī)負(fù)荷下CSMER的電流密度輸出

Fig.4 Electricity generation of CSMER at different organic loading rate

2.4.1 細(xì)菌多樣性分析

對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)不同區(qū)域的微生物群落進(jìn)行454高通量測(cè)序，考察其微生物群落的多樣性.將高通量測(cè)序序列與數(shù)據(jù)庫(kù)比較后在門水平上進(jìn)行分類(圖5).CSMERAnode與其他群落有明顯差異，表現(xiàn)為Proteobacteria的比重最高(36.4%)，而其他5個(gè)群落均表現(xiàn)Firmicutes(44.3%～50.6%)含量最高.

屬水平上的分類結(jié)果表明，CSMERCMZ中占據(jù)優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌種屬為Clostridium(10.0%)、Acidaminococcus(11.7%)及Lactococcus(10. 8%)(表1).

圖5 細(xì)菌焦磷酸測(cè)序序列在門水平上的分類

Fig.5 Taxonomic classification of bacterial pyrosequences at the phylum level

表1 細(xì)菌焦磷酸測(cè)序序列在屬水平上的分類

Others:在任意樣品中豐度小于1 % 的屬

其中Clostridium是一種典型的水解發(fā)酵菌，能夠?qū)⒌矸?、纖維素、蔗糖等大分子有機(jī)物降解為小分子的揮發(fā)酸，如乙酸、丙酸等[24].且Lactococcus也是厭氧系統(tǒng)處理糖蜜廢水中優(yōu)勢(shì)菌屬之一[25].而CSMERAnode群落中最具優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌種屬為產(chǎn)電菌Geobacter(14.5%)，其次為L(zhǎng)ongilinea(7.1%)、Enterobacter(6.1%)及Pleomorphomonas(6.0%)，與CSMERCMZ具有明顯差異.在CSMERCathode群落中占據(jù)優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌種屬為L(zhǎng)actococcus(13.9%)、Longilinea(11.6%)、Acidaminococcus(11.2%)、Clostridium(9.0%)及Verrucomicrobium(8.0%)，大部分為CSMERCMZ及CSMERCathode中的優(yōu)勢(shì)菌屬，可能是由于CMZ中的絮狀活性污泥及陽(yáng)極上的生物膜沿著水力方向附著于陰極表面導(dǎo)致的.但CSMERCathode中Verrucomicrobium的豐度明顯高于CSMERCMZ(0%)和CSMERAnode(1.8%)，而該類菌屬常被發(fā)現(xiàn)于水生和土壤環(huán)境或城市垃圾滲濾液中[26]，在CSMERCathode中存在大量Verrucomicrobium可能和陰極區(qū)復(fù)雜的溶解氧濃度梯度有關(guān)，使這種特殊的微生物選擇性地富集到陰極表面.CSTRBottom和CSTRUp微生物群落基本相似，其優(yōu)勢(shì)菌屬為L(zhǎng)actococcus(18.9%、19.1%)、Longilinea(6.3%、7.5%)及Acidaminococcus(5.5%、6.3%).在CSTR中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Geobacter 存在，而CSMER中Clostridium等水解酸化菌群與產(chǎn)電菌Geobacter的協(xié)同作用可能是其水處理效果及甲烷產(chǎn)率高于CSTR的原因.

根據(jù) Fast UniFrac 的分析結(jié)果，通過(guò)weighted PCoA 分析對(duì)群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較(圖6)，可以更加直觀地看出群落之間的進(jìn)化距離.主成分1和主成分2分別解釋了 42%和32%的信息變量，CSTRBottom和CSTRUp與啟動(dòng)污泥(Sludge)聚到了一起，說(shuō)明這3個(gè)群落具有較高的相似性.而CSMERCMZ和CSMERAnode群落之間存在較大差異.以上結(jié)果說(shuō)明，在CSMER中，由于電流的存在，某些特殊的微生物(產(chǎn)電菌)選擇性地富集到了CSMER的陽(yáng)極上，而兩區(qū)的協(xié)同作用又對(duì)CMZ的微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響.

圖6 CSMER及CSTR中微生物群落結(jié)構(gòu)基于Fast UniFrac 的weighted PCoA 分析

Fig.6 Weighted principal coordinate analysis (PCoA) of the CSMER and CSTR microbial community structures based on Fast UniFrac

2.4.2 古生菌多樣性分析

對(duì)樣本中的古生菌進(jìn)行了454高通量測(cè)序，各樣本在綱水平上的分類基本相似，均主要含有Methanomicrobia和Methanobacteria，以及較低豐度的Thermoplasmata(圖7(a)).科水平上的分類結(jié)果表明CSMERCMZ中利用乙酸產(chǎn)甲烷菌(Methanosaetaceae和Methanosarcinaceae)及利用氫氣產(chǎn)甲烷菌(Methanospirillaceae和Methanobacteriaceae)的豐度分別為52.2%和47.1% (圖7(b)).而CSTRBottom和CSTRUp中利用乙酸產(chǎn)甲烷菌的豐度菌約為80%左右，說(shuō)明CSMER中產(chǎn)甲烷菌的多樣性高于CSTR.CSTR中相對(duì)簡(jiǎn)單的產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)減少了有機(jī)物的降解途徑，從而導(dǎo)致其有機(jī)物去除率低于CSMER.

圖7 古生菌焦磷酸測(cè)序分析

3 結(jié) 論

1)連續(xù)攪拌微生物電化學(xué)系統(tǒng)(CSMER)在連續(xù)流運(yùn)行方式下獲得的平均電流輸出高于間歇流，原因是連續(xù)流條件下存在對(duì)流、湍流等作用，有利于質(zhì)子在溶液中的擴(kuò)散，從而為陰極氧還原反應(yīng)提供足夠的質(zhì)子，提高了氧還原反應(yīng)速率，因此，提高了其產(chǎn)電性能.

2)CSMER的4個(gè)電池在HRT為12 h時(shí)獲得了最大功率密輸出，分別為(583±9), (562±7), (533±10) 和(572±6) mW·m-2,當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷提高到12 kg·m-3·d-1時(shí)，系統(tǒng)的電能輸出無(wú)明顯變化，COD 去除率為(87.1±1.1)%，是對(duì)照的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(CSTR)的1.6倍，而微生物電化學(xué)反應(yīng)與厭氧消化過(guò)程的協(xié)同作用，可能是CSMER底物去除效果優(yōu)于CSTR的主要原因.

3)CSMER底端的全混流攪拌區(qū)以Clostridium、Acidaminococcus及Lactococcus等水解發(fā)酵菌群為優(yōu)勢(shì)細(xì)菌菌屬；頂端的微生物電化學(xué)區(qū)以產(chǎn)電菌Geobacter占優(yōu)勢(shì).CSMER中相對(duì)復(fù)雜的細(xì)菌菌落導(dǎo)致其產(chǎn)甲烷菌的多樣性高于CSTR，從而增加了該系統(tǒng)有機(jī)物的降解途徑，提高其有機(jī)物去除率.

[1] LOGAN B E, RABAEY K. Conversion of wastes into bioelectricity and chemicals by using microbial electrochemical technologies[J]. Science, 2012, 337 (6095): 686-690.

[2] WANG Heming, REN Zhiyong. A comprehensive review of microbial electrochemical systems as a platform technology[J]. Biotechnology Advances, 2013, 31(8): 1796-1807.

[3] LI Wenwei，YU Hanqing，HE Zhen. Towards sustainable wastewater treatment by using microbial fuel cells-centered technologies[J]. Energy & Environmental Science，2014，7(3): 911-924.

[4] HE Zhen，MINTEER S D，ANGENENT L T. Electricity generation from artificial wastewater using an upflow microbial fuel cell[J]. Environmental Science & Technology，2005，39(14): 5262-5267.

[5] HUANG Jiansheng，YANG Ping，GUO Yong, et al. Electricity generation during wastewater treatment: An approach using an AFB-MFC for alcohol distillery wastewater[J]. Desalination，2011，276(1/2/3): 373-378.

[6] FENG Yujie，LI He，WANG Xin，et al. Continuous electricity generation by a graphite granule baffled air-cathode microbial fuel cell[J]. Bioresource Technology，2010，101(2): 632-638.

[7] CHENG Xiyu，LI Qian，LIU Chunzhao. Coproduction of hydrogen and methane via anaerobic fermentation of cornstalk waste in continuous stirred tank reactor integrated with up-flow anaerobic sludge bed[J]. Bioresource Technology，2012，114: 327-333.

[8] 鄭國(guó)臣. CSTR和ABR處理有機(jī)廢水產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷特征與效能[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2010.

ZHENG Guochen. Performance and efficient of CSTR and ABR for hydrogen and methane production by organic wastewater fermentation[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2010.

[9] ZHANG Yifeng, ANGELIDAKI I. Submersible microbial desalination cell for simultaneous ammonia recovery and electricity production from anaerobic reactors containing high levels of ammonia[J]. Bioresource Technology, 2015, 177: 233-239.

[10]路璐. 生物質(zhì)微生物電解池強(qiáng)化產(chǎn)氫及陽(yáng)極群落結(jié)構(gòu)環(huán)境響應(yīng)[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2012.

LU Lu. Enhanced hydrogen production from biomass in microbial electrolysis cells and the environmental responses of anodophilic community structures [D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2012.

[11]WANG Haiman，QU Youpeng，LI Da，et al. Evaluation of an integrated continuous stirred microbial electrochemical reactor: Wastewater treatment, energy recovery and microbial community[J]. Bioresource Technology，2015，195: 89-95.

[12]DONG Heng，YU Hongbin，WANG Xin，et al. A novel structure of scalable air-cathode without Nafion and Pt by rolling activated carbon and PTFE as catalyst layer in microbial fuel cells[J]. Water Research， 2012，46(17): 5777-5787.

[13]LOVELY D R, PHILLIPS E J P. Novel mode of microbial energy metabolism: Organic carbon oxidation coupled to dissimilatory reduction of iron or manganese[J]. Applied and Environmental Microbiology, 1988,54 (6): 1472-1480.

[14]ANGELIDAKI I，SANDERS W.Assessment of the anaerobic biodegradability of macropollutants[J]. Reviews in Environmental Science & Bio/Technology，2004，3(2): 117-129.

[15]LI Da, QU Youpeng, LIU Jia, et al. Using ammonium bicarbonate as pore former in activated carbon catalyst layer to enhance performance of air cathode microbial fuel cell[J]. Journal of Power Sources,2014, 272:909-914.

[16]佟海龍，黃力群，何燕，等. 以不同底物和苯胺為燃料的微生物燃料電池的產(chǎn)電特性[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016，10(1): 480-484.

TONG Hailong，HUANG Liqun，HE Yan，et al. Power generation of microbial fuel cell from aniline and different substrates[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering，2016，10(1): 480-484.

[17]唐霽旭，王志偉，馬金星，等. 454高通量焦磷酸測(cè)序法鑒定膜生物反應(yīng)器膜污染優(yōu)勢(shì)菌種[J]. 微生物學(xué)通報(bào)，2014，41(2): 391-398.

TANG Jixu，WANG Zhiwei，MA Jinxing，et al. Identifying predominant strains causing membrane biofouling by using 454 high-throughputpyrosequencing[J]. Microbiology China，2014，41(2): 391-398.

[18]ZHANG Fang, PANT D, LOGAN B E. Long-term performance of activated carbon air cathodes with different diffusion layer porosities in microbial fuel cells[J]. Biosensors & Bioelectronics, 2011, 30(1): 49-55.

[19]DU Fangzhou,XIE Beizhen, DONG Wenbo, et al. Continuous flowing membraneless microbial fuel cells with separated electrode chambers[J]. Bioresource Technology, 2011, 102(19): 8914-8920.

[20]LIN Hongjun, ZHANG Meijia, WANG Fangyuan, et al. A critical review of extracellular polymeric substances (EPSs) in membrane bioreactors: Characteristics, roles in membrane fouling and control strategies[J]. Journal of Membrane Science, 2014, 460: 110-125.

[21]MOON H, CHANG I S, KIM B H. Continuous electricity production from artificial wastewater using a mediator-less microbial fuel cell[J]. Bioresource Technology, 2006, 97(4): 621-627.

[22]JIA Jianna, TANG Yu, LIU Bingfeng, et al. Electricity generation from food wastes and microbial community structure in microbial fuel cells[J]. Bioresource Technology, 2013, 144: 94-99.

[23]LIN Chiuyue, CHENG Chaohui. Fermentative hydrogen production from xylose using anaerobic mixed microflora[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2006, 31(7): 832-840.

[24]WANGY H, LIS L, CHENI C, et al. A study of the process control and hydrolytic characteristics in a thermophilic hydrogen fermentor fed with starch-rich kitchen waste by using molecular-biological methods and amylase assay[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2010，35(23): 13004-13012.

[25]KIM T G，YUN J，CHO K S. The close relation betweenLactococcusandMethanosaetais a keystone for stable methane production from molasses wastewater in a UASB reactor[J]. Applied Microbiology and Biotechnology，2015， 99(19): 8271-8283.

[26]WANGNER M, HORN M. ThePlanctomycetes,Verrucomicrobia,Chlamydiaeand sister phyla comprise a superphylum with biotechnological and medical relevance[J]. Current Opinion in Biotechnology, 2006, 17(3): 241-249.

(編輯 劉 彤)

Performance of a continuous stirred microbial electrochemical reactor treating high-strength artificial wastewater

WANG Haiman1,2, QU Youpeng1,3, HE Weihua1,2, FENG Yujie1,2

(1.School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China; 2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment(Harbin Institute of Technology), Harbin 150090, China; 3.School of Life Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

Microbial electrochemical systems (MESs) suffer deterioration in power generation and wastewater treatment in practical application. In order to improve the performance of MESs when treating medium and high strength wastewater containing fermentative substrates, a continuous stirred microbial electrochemical reactor (CSMER) was developed by integrating MES and continuous stirred tank reactor (CSTR). Maximum power densities of (583±9), (562±7), (533±10) and (572±6) mW·m-2were obtained by each separate cell of CSMER under continuous feeding mode (HRT=12 h) at COD concentration of 6 000 mg·L-1. COD removal and methane production rate of CSMER were (87.1±1.1)% and (1.48±0.15) L·L-1·d-1, which increased by 61.6% and 244.2% in comparison with those of a control CSTR. Pyrosequencing analysis showed that the dominant genera in CSMERCMZwereClostridium(10.0%),Acidaminococcus(11.7%) andLactococcus(10.8%), which were fermentative bacteria. The microbial electrochemical zone (MEZ) was dominated byGeobacter(14.5%), which was the most predominant known exoelectrogen. Due to the relatively complicated bacterial communities, the CSMER possessed high abundance both in acetoclastic methanogens (52.2%) and hydrogenotrophic methanogens (47.1%). Syntrophic process occurred between anaerobic digestion in the CMZ and current generation in the MEZ contributed to its better performance.

continuous stirred microbial electrochemical reactor; continuous stirred tank reactor; power output; COD removal; pyrosequencing

10.11918/j.issn.0367-6234.201607006

2016-07-03

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(51125033)

王海曼(1984—)，女，博士研究生; 馮玉杰(1966—)，女，教授，博士生導(dǎo)師

馮玉杰，yujief@hit.edu.cn

X703

A

0367-6234(2017)08-0042-07