郭 璇

（中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120）

0 引言

苯酚是一種重要的工業(yè)原料，在有機(jī)合成領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]，因此，苯酚是煉油、焦炭、染料、紡織、農(nóng)藥和醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多工業(yè)生產(chǎn)廢水中的主要污染物[2]。苯酚具有較強(qiáng)的生物毒性，對(duì)人體和生態(tài)環(huán)境危害巨大，是我國(guó)優(yōu)先控制的主要污染物之一[3]。目前，工業(yè)苯酚廢水的處理方法包括物理法、化學(xué)法和生物法三大類。利用物理法和化學(xué)法處理含酚廢水，能耗大、成本高、處理量小[4]，無(wú)法滿足社會(huì)發(fā)展需求，而生物法處理苯酚廢水，具有經(jīng)濟(jì)、高效、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)[5]，其應(yīng)用前景廣闊。

微生物燃料電池技術(shù)是一種新興的廢水生物處理技術(shù)，電池陽(yáng)極一般為導(dǎo)電材料，微生物作為催化劑富集于陽(yáng)極表面，在凈化廢水的同時(shí)，將廢水化合物中蘊(yùn)藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能輸出[6]。目前，以微生物燃料電池技術(shù)處理高危工業(yè)廢水是國(guó)際研究熱點(diǎn)[7-8]，而苯酚是我國(guó)優(yōu)先控制的工業(yè)污染物之一，因此，本文以苯酚為底物，構(gòu)建微生物燃料電池，探索以微生物燃料電池技術(shù)處理苯酚廢水的可行性，考察了苯酚微生物燃料電池的產(chǎn)電性能及苯酚降解性能，同時(shí)對(duì)電池陽(yáng)極富集的優(yōu)勢(shì)苯酚降解菌進(jìn)行了分離、純化和鑒定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 MFC 基本結(jié)構(gòu)

參照文獻(xiàn)[9]，雙室微生物燃料電池結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電池以苯酚為底物，以400 mL 玻璃試劑瓶構(gòu)成2 個(gè)電極室，2 個(gè)電極室之間以法蘭盤密封連接，質(zhì)子交換膜（Nafion 117）置于法蘭盤靠近陽(yáng)極室一側(cè)。陽(yáng)極電極為石墨棒（0.6 cm×18 cm），陽(yáng)極室內(nèi)填充活性炭顆粒（平均粒徑為0.5～2.0 mm，孔隙率為0.44）以增加廢水與電極棒的接觸面積，為維持陽(yáng)極厭氧環(huán)境，需用膠塞密封陽(yáng)極室。陰極電極為石墨片（0.5 cm×2.5 cm×17 cm），采用20 mmol/L 的Fe（Ⅲ）-EDTA 體系作為電解液傳輸電子[10]，為保持陰極液溶解氧濃度，陰極室需連續(xù)曝氣并不斷添加電解液以彌補(bǔ)曝氣損失。兩電極之間外接負(fù)載1 000 Ω，運(yùn)行環(huán)境溫度維持在30 ℃左右。

圖1 微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 陽(yáng)極液及接種物

電池陽(yáng)極溶液為苯酚溶液與營(yíng)養(yǎng)液的混合液，苯酚終質(zhì)量濃度為200 mg/L，營(yíng)養(yǎng)液參照文獻(xiàn)配制[11]。為保持陽(yáng)極厭氧環(huán)境、提高微生物代謝率，陽(yáng)極液混合均勻后，需用N2曝氣30 min 以去除氧氣。電池啟動(dòng)時(shí)，需添加活性污泥作為接種物，本實(shí)驗(yàn)選用燕山石化污水處理系統(tǒng)的活性污泥作為接種物，在電池啟動(dòng)時(shí)，以5 mL/100 mL 的比例添加到陽(yáng)極液中。

1.3 測(cè)試與計(jì)算方法

電池輸出電壓由自動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)（8251，瑞博華）記錄存儲(chǔ)，電流密度和單位體積功率密度分別按式（1）、式（2）計(jì)算。

式中：U 為輸出電壓，mV；I 為電流密度，mA/cm3；R 為外電阻，Ω；V 為陽(yáng)極室有效體積，cm3；P 為功率密度，mW/m3。

苯酚濃度利用4-氨基安替比林直接光度法進(jìn)行測(cè)定，化學(xué)需氧量利用COD 快速測(cè)定儀測(cè)定，pH 值利用雷磁pH 計(jì)測(cè)定。

1.4 微生物種屬分離及鑒定方法

根據(jù)文獻(xiàn)[12]所述，MFC 陽(yáng)極富集的微生物利用平板劃線法分離純化，并利用16SrDNA 法鑒定。微生物菌株被分離純化后，利用SK1201-UNIQ-10 柱式細(xì)菌基因組DNA 抽提試劑盒(上海生工)進(jìn)行提取，提取后進(jìn)行PCR 擴(kuò)增，擴(kuò)增采用的引物包含上、下游，上游引物為27f（5’AGAGTTTGATCCTGGCTCAG 3’），下游引物為1492r（5’GGTTACCTTGTTACGACTT 3’）。PCR 擴(kuò)增完成后，利用UNIQ-10 柱式DNA 膠回收試劑盒（上海生工）對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物目的DNA 進(jìn)行純化，并委托上海生工生物工程有限公司進(jìn)行DNA 測(cè)序。DNA 測(cè)序結(jié)果提交NCBI（http://www.ncbi.nlm.nih.gov）進(jìn)行檢索和同源性比較，最終得到單株細(xì)菌菌屬。

2 結(jié)果與討論

2.1 電池啟動(dòng)與運(yùn)行

以苯酚為底物，啟動(dòng)活性炭填料型微生物燃料電池。電池的電壓輸出曲線如圖2 所示。電池啟動(dòng)階段，每5 d 更新一次陽(yáng)極溶液，電池成功啟動(dòng)后，當(dāng)電池電壓下降到200 mV 以下時(shí)，更新陽(yáng)極溶液。從圖2可見，苯酚為底物的電池啟動(dòng)電壓為88 mV，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)，電池輸出電壓穩(wěn)定上升，不間斷培養(yǎng)約25 d 后，電池最高輸出電壓達(dá)到200 mV 以上并維持穩(wěn)定，證明電池進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。根據(jù)計(jì)算，苯酚廢水MFC 的最高輸出電壓為220 mV±10 mV，最高輸出功率密度為161.30 mW/cm3±0.33 mW/cm3。結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的培養(yǎng)馴化，在微生物燃料電池內(nèi)，微生物可利用苯酚為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)電，同步實(shí)現(xiàn)污水凈化與電能輸出。

圖2 苯酚電池電壓輸出曲線

2.2 苯酚廢水處理性能分析

電池達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行期后，為考察苯酚廢水的凈化效果，對(duì)電池進(jìn)出水進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，為保證準(zhǔn)確性，檢測(cè)過(guò)程重復(fù)6 次，最終數(shù)據(jù)以平均值表示，結(jié)果如表1所示。活性炭填料苯酚電池COD 去除率為79.4%±2.0%，相應(yīng)的苯酚污染物去除率為97.0%±2.0%。微生物燃料電池對(duì)苯酚去除效果較好，且對(duì)苯酚污染物的去除率高于對(duì)溶液COD 的去除率。這可能是由顆?；钚蕴剂己玫奈叫阅芤鸬摹?/p>

表1 苯酚微生物燃料電池污染物去除效果

由于活性炭自身為非極性物質(zhì)，對(duì)帶有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的苯酚污染物具有較強(qiáng)的吸附性能，因此，當(dāng)苯酚廢水添加至電池后，其中的苯酚污染物組分可快速被吸附于活性炭填料表面成為微生物代謝的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此，其在陽(yáng)極溶液中的濃度可快速降低。吸附于活性炭填料表面的苯酚被微生物降解產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物一般為分子量較小的極性物質(zhì)，不易被活性炭吸附，容易擴(kuò)散至陽(yáng)極溶液中，不利于被微生物代謝，導(dǎo)致陽(yáng)極溶液的COD 增加。因此，MFC 對(duì)苯酚污染物的去除率高于對(duì)COD 的去除率。由此證明，活性炭填料電池是通過(guò)活性炭吸附和微生物代謝反應(yīng)的相互疊加作用去除污染物。

MFC 陽(yáng)極出水pH 值為6.09±0.10，呈弱酸性，這是因?yàn)槊看侮?yáng)極溶液更新后，電極或填料表面生長(zhǎng)繁殖的部分微生物會(huì)游離至陽(yáng)極溶液中發(fā)生厭氧發(fā)酵反應(yīng)，導(dǎo)致溶液pH 減小，出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。另外，苯酚污染物組分被微生物講解后會(huì)形成小分子脂肪酸，未來(lái)得及被微生物徹底代謝，也會(huì)引發(fā)陽(yáng)極溶液pH 降低的現(xiàn)象。

2.3 填料表面微生物富集狀態(tài)分析

以苯酚廢水為底物的MFC 活性炭填料表面SEM掃描圖如圖3 所示，圖3-1 為原始活性炭顆粒表面狀態(tài)，僅可見雜質(zhì)、灰塵及少量鹽結(jié)晶顆粒，未見微生物菌株的存在。圖3-2 為穩(wěn)定運(yùn)行后的MFC 內(nèi)活性炭顆粒表面狀態(tài)，由圖3 可見，經(jīng)過(guò)活性污泥接種后，微生物菌株逐漸在電池內(nèi)以苯酚為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，大量繁殖生長(zhǎng)并富集于填料表面。根據(jù)圖3-2 顯示，穩(wěn)定運(yùn)行的MFC 表面富集的微生物菌株，數(shù)量繁多，形態(tài)各異，有桿狀、短桿狀及球狀，微生物多樣性良好。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，隨著微生物菌株在填料表面的富集增殖，MFC 的產(chǎn)電量也同步上升，當(dāng)填料表面富集的微生物數(shù)量達(dá)到一定程度后，電池產(chǎn)電量維持穩(wěn)定狀態(tài)，不再增加。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能為富集于填料表面的微生物菌株可作為陽(yáng)極催化劑，在降解苯酚的同時(shí)，傳導(dǎo)電子產(chǎn)電，但當(dāng)菌株濃度達(dá)到飽和后，微生物數(shù)量不再增加，因此，電池產(chǎn)電量輸出維持穩(wěn)定。

圖3 填料表面SEM 掃描圖

3.4 優(yōu)勢(shì)微生物種屬分離分析

電池進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期后，利用平板劃線的方法，對(duì)陽(yáng)極室內(nèi)富集的優(yōu)勢(shì)微生物菌株進(jìn)行分離純化，并利用16SrDNA 分子生物學(xué)方法對(duì)純化好的單菌株微生物進(jìn)行種屬鑒定分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 菌株的分子生物學(xué)鑒定結(jié)果

結(jié)果顯示，電池中共分出7 株優(yōu)勢(shì)微生物菌株，分別為球型賴氨酸芽孢桿菌、蠟樣芽胞桿菌、蘇云金桿菌、芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、異常芽孢桿菌及陰溝腸桿菌，7 株菌均為桿狀菌。電池中的微生物多樣性較好，因此，電池穩(wěn)定電壓輸出及苯酚去除性能較好。

3 結(jié)論

綜上所述，在接種的條件下，微生物燃料電池可以利用苯酚為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)電，電池穩(wěn)定運(yùn)行電壓輸出為220 mV±10 mV，穩(wěn)定輸出功率密度為161.3 mW/cm3；電池對(duì)苯酚處理效果較好，COD 去除率為79.4%±2.0%，相應(yīng)的苯酚污染物去除率為97.0%±2.0%；電池產(chǎn)電性能隨著填料表面富集的微生物濃度增加而增加，當(dāng)微生物濃度飽和后，產(chǎn)電量維持穩(wěn)定狀態(tài)；穩(wěn)定運(yùn)行的電池陽(yáng)極微生物多樣性較好，存在7 株不同的優(yōu)勢(shì)微生物菌株。