徐戴非，吳兵黨，楊晶晶，沈正棟，黃天寅*

1.蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院

2.蘇州市海綿城市技術(shù)重點實驗室

微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)是一種新型的生物電化學系統(tǒng)，用于同時發(fā)電和廢水處理[1]。傳統(tǒng)MFC 由陽極室和陰極室2 個腔室組成（圖1），2 個腔室由質(zhì)子交換膜隔開。MFC 的重點是利用微生物在陽極室的代謝活性和陰極室的氧化還原反應，將化學能轉(zhuǎn)化為電能。在陽極室中，微生物分解有機物產(chǎn)生電子與質(zhì)子[2-4]，這些電子通過外部電路，質(zhì)子通過膜到達陰極。在陰極，進入的電子被氧[5]、鐵氰化物等電子受體還原，從而完成陰極半電池反應。到目前為止，除了通過陽極室中的氧化過程有效去除復雜的有機物，MFC 還可以通過陰極室中的還原過程成功去除各種污染物，包括重金屬[6]、染料[7]、亞硝酸鹽[8]等。

圖1 MFC 反應器原理Fig.1 MFC reactor schematic diagram

低功率性能和高材料成本阻礙了MFC 的大規(guī)模開發(fā)和實際應用[9-10]。因此，MFC 未來能否廣泛投入實際應用必然依賴于系統(tǒng)性能的提高和材料成本的降低。研究表明，在所有MFC 組件中，陽極電極在發(fā)電和去除污染物方面起著至關(guān)重要的作用，因為它與細菌直接接觸，并影響電子從細菌到陽極表面的轉(zhuǎn)移速率[11]。具有大表面積、豐富的可接近傳質(zhì)通道和高活性表面官能團的陽極對于促進外電極微生物的附著和生長，從而提高陽極性能至關(guān)重要[12]。在許多研究中，商用碳材料（如碳紙、炭氈或布）被用作MFC 中的電極材料。然而，這些碳材料顯示出相對較低的細菌黏附活性，產(chǎn)生的生物膜形成量較低，細菌與電極表面之間的相互作用較弱，因此導致功率輸出效率較低[13]。在最近的研究中，人們通過對原始陽極進行表面處理或通過納米材料（如貴金屬和非貴金屬、金屬氧化物、金屬碳化物、天然和合成碳材料以及各種納米復合材料）進行表面涂層來進行陽極改性[14]。其中，生物炭是一種富含碳的材料，可以通過木質(zhì)纖維素生物質(zhì)、動物廢物、城市廢物和其他有機材料的熱化學分解產(chǎn)生[15]。生物炭由不同數(shù)量的微量金屬離子組成，具有高表面積的多孔結(jié)構(gòu)、不同的官能團、生物相容性好、易修飾等特點[16-17]。Wang 等[18]使用在500 ℃（BC500）和900 ℃（BC900）下燒制的玉米秸稈生物炭和KOH 改性生物炭（BAC）作為生物電化學系統(tǒng)（BES）的電極材料。與炭氈電極相比，BC500、BC900 和BAC 陽極的最大功率密度分別提高了10.7%、56.0%和92.0%。Lan 等[19]通過炭化蛋白核小球藻（CCP）來修飾碳布（CC）作為MFC 的陽極，結(jié)果表明，CCP 修飾的碳布的生物電催化成功啟動后電流密度最高達（13.44±0.34）A/m2，分別比使用炭黑和裸露CC 的高12%和22%。

硝基苯（NB）是一種典型的硝基芳香族化合物，廣泛用于染料、制藥、炸藥、農(nóng)藥、苯胺制造、有機溶劑等行業(yè)[20]。隨著全球化學工業(yè)的快速發(fā)展，硝基苯的排放量也在不斷增加[21]。未經(jīng)處理的原水和處理的工業(yè)廢水中仍含有14~591 mg/L 的NB[22]。由于其致畸性、致癌性、致突變性和高毒性，已被美國國家環(huán)境保護局列為“優(yōu)先污染物”[23-24]。廢水中的NB 因具有穩(wěn)定的化學結(jié)構(gòu)而難以被降解。且由于NB 中NO2-的缺電子特性，污水處理中常用的氧化劑難以對NB 進行降解，甚至會產(chǎn)生一些有毒副產(chǎn)物，如吡啶甲酸。相比于氧化降解，還原降解更有利[25]。這是因為當NB 被還原時，初級產(chǎn)物苯胺（AN）更容易進一步生物降解[26]。因此，開發(fā)高性能MFC 以有效去除硝基苯并伴隨高效產(chǎn)電是當前研究熱點之一。

本文以螺旋藻粉為原料制備生物炭，將其修飾在炭氈上作為MFC 的陽極以期提高MFC 的性能；通過循環(huán)伏安（CV）測試、掃描電鏡（SEM）、高通量測序來評估陽極的性能；陰極用來處理硝基苯廢水，測試其去除率，并定量分析其中間產(chǎn)物。相關(guān)研究結(jié)果將為通過陽極改性提高MFC 產(chǎn)電及降解污染物的性能提供參考。

1 材料與方法

1.1 藻炭及生物炭修飾電極的制備

螺旋藻粉購于濱州美越飼料科技有限公司。藻粉首先在60 ℃鼓風干燥箱中干燥24 h。干燥后的粉末在管式爐（OTF-1200X-S，合肥科晶材料技術(shù)有限公司）分別以直接熱解、酸活化、堿活化的方法，以500 和700 ℃的熱解溫度制備3 類共6 種藻炭材料。具體制作方法如下：1）未活化藻炭。干燥后的藻粉在管式爐中以5 ℃/min 升溫速率，分別從室溫升至500 和700 ℃，并保持2 h，隨后自動冷卻至室溫，全程通N2。將熱解的樣品在研缽中研磨過200 目篩網(wǎng)，篩后粉末用無水乙醇、2 mol/L HCl 溶液和去離子水連續(xù)洗滌數(shù)次，直到pH 達到7。將粉末過濾并在60 ℃下干燥12 h。所得產(chǎn)物表示為BC500、BC700。2）酸活化藻炭。將干燥后的藻粉在1 mol/L 的HCl 溶液中浸泡12 h 以上，攪拌均勻后用離心機分離，并用純水清洗藻粉直至上清液pH 呈中性為止，將清洗好的藻粉烘干后置于管式爐中碳化，全程通N2，將得到的藻炭研磨、清洗、干燥，步驟與未活化藻炭相同。得到酸活化的藻炭，記為HCl-AC500、HCl-AC700。3）堿活化藻炭。將干燥后的藻粉與NaOH 固體以1∶1 的質(zhì)量比迅速研磨混合，隨即在N2保護下碳化，將得到的藻炭研磨、清洗、干燥，步驟與未活化藻炭相同。得到堿活化的藻炭，記為NaOH-AC500、NaOH-AC700。

制備藻炭修飾電極：生物炭負載量按5 mg/cm2計算，準確稱取45 mg 藻炭置于10 mL 離心管中，分別滴加2 mL 異丙醇、2 mL 5%的Nafion 溶液和1 mL 去離子水，超聲2 h 使材料分散均勻。用移液管將分散好的藻炭懸濁液分幾次均勻滴涂于3 cm×3 cm 的炭氈（carbon felt，CF）表面，常溫晾干后即可制備成微生物燃料電池陽極材料，將不同類型藻炭材料制備的陽極分別命名為NaOH-AC700/CF、HCl-AC700/CF 和BC700/CF 等。

1.2 試驗裝置與方法

1.2.1 MFC 反應器的組裝與運行

通過亞克力板組裝2 個相同容積的有機玻璃室（圖2），拼接成雙室MFC。每個腔室的尺寸為5 cm×5 cm×9 cm，每個腔室的有效容積為200 mL。2 個腔膜（PEM）（CMI-7000）隔開。藻炭修飾電極放于陽極室中，陰極室由尺寸為3 cm×3 cm 的泡沫鎳組成。電極夾在鈦絲上，陽極和陰極電極外接1 000 Ω 的電阻。陽極室和陰極室都是密封的，并用磁力攪拌器攪拌以改善傳質(zhì)。所有MFC 的試驗均在（30±2）℃下進行，所有試驗至少重復3 次。根據(jù)電極的不同材料，反應器的命名如表1 所示。

表1 不同電極的MFC 反應器名稱Table 1 MFC reactor with different electrodes

圖2 MFC 反應器裝置Fig.2 Device diagram of MFC reactor

MFC 的接種污泥來自蘇州某印染廠厭氧塔的厭氧活性污泥。開始接種時，陽極室加入10 mL 接種污泥和190 mL 的營養(yǎng)液。陽極室營養(yǎng)液的制備如下[27]：3.0 g/L NaAc，0.31 g/L NH4Cl，0.13 g/L KCl，10 mg/L CaCl2，20 mg/L MgCl2·6H2O，2 mg/L NaCl，5 mg/L FeCl2，1 mg/L CoCl2·2H2O，1 mg/L MnCl2·4H2O，0.5 mg/L AlCl3， 3 mg/L (NH4)6Mo7O24， 1 mg/L H3BO3，0.1 mg/L NiCl2·6H2O，1 mg/L CuSO4·5H2O，1 mg/L ZnCl2和50 mmol/L pH=7 的磷酸鹽（PBS）緩沖溶液。陰極室加入200 mL 的陰極液，其組分為50 mmol/L 的K3[Fe(CN)6]和50 mmol/L pH 為7 的PBS緩沖溶液。

系統(tǒng)加入接種液和營養(yǎng)液后開始馴化，以電阻兩端電壓指標評估馴化和穩(wěn)定階段。在馴化階段，當電壓低于50 mV 時，視為1 個周期的結(jié)束，并更換陰陽極液。當連續(xù)3 個周期的最大電壓值相似時，視為馴化階段結(jié)束，MFC 進入穩(wěn)定運行期[28]。

1.2.2 硝基苯陰極還原試驗設計

MFC 穩(wěn)定運行后，將1 個周期結(jié)束后的陰極液更換成硝基苯陰極還原試驗設計條件下的配方，具體試驗設計如下：1）不同藻炭修飾陽極對硝基苯陰極還原性能的影響。選取CF、BC700/CF、HCl-AC700/CF 和NaOH-AC700/CF 作為MFC 的陽極，硝基苯濃度為0.8 mmol/L，以PBS 為電解質(zhì)，pH=7。2）不同陰極初始pH 對硝基苯陰極還原性能影響。設置陰極液初始pH 為5、6、7 和8，硝基苯濃度為0.8 mmol/L，以NaOH-AC700/CF 為陽極，PBS 為電解質(zhì)。3）不同陰極電解質(zhì)對硝基苯陰極還原性能影響。設置陰極電解質(zhì)為NaCl、PBS 和Na2SO4，硝基苯濃度為0.8 mmol/L，以NaOH-AC700/CF 為陽極，pH=7。4）不同硝基苯初始濃度對硝基苯陰極還原的影響。取硝基苯初始濃度分別為0.4、0.8、1.6、和2.4 mmol/L，以NaOH-AC700/CF 為陽極，PBS 為電解質(zhì)，pH=7。

取上述試驗條件下運行144 h 時的出水檢測硝基苯、苯胺、亞硝基苯、偶氮苯和氧化偶氮苯濃度，進行硝基苯在MFC 陰極還原降解的中間產(chǎn)物分析。

1.3 生物炭與生物膜的表征

使用場發(fā)射電鏡（Quanta FEG 250，美國）對藻炭進行表征，以了解樣品的表面形貌。利用全自動比表面積儀（ASAP 2460，美國）測定藻炭的比表面積。

使用場發(fā)射電鏡分析陽極表面微生物形貌特征及附著情況。將馴化完成的MFC 陽極取出，用小刀在電極中間部分采得帶有微生物附著的炭氈材料；將取得的材料置于2.5%的戊二醛中，冷藏24 h 固定，用pH 為7 的0.1 mol/L 的PBS 溶液沖洗樣品3 次，接著使用乙醇水溶液對樣品進行梯度脫水，溶液中乙醇含量依次為30%、50%、70%、80%、90%和100%，樣品自然干燥后用于SEM 分析。

分別取接種污泥和穩(wěn)定運行2 個月的反應器陽極表面生物膜樣品，送至蘇州金唯智生物科技有限公司進行16S rDNA 擴增子測序，得出Alpha 多樣性指數(shù)，包括Ace、Chao、Shannon 和Simpson。根據(jù)測序結(jié)果分析陽極表面微生物的豐度與物種組成。

1.4 水質(zhì)分析

采用高效液相色譜儀（Breeze QS，美國）測定硝基苯、亞硝基苯、苯胺濃度，具體檢測方法：甲醇與1‰乙酸水流動相（體積比為60∶40），紫外檢測波長為240 nm，進樣量為10 μL，流速為1 mL/min。試驗中污染物濃度采用標準曲線法確定。

采用氣質(zhì)聯(lián)用儀（Agilent 7890A/5975C，美國）對硝基苯還原過程中的中間產(chǎn)物進行定性與定量分析。將硝基苯還原終點得到的產(chǎn)物用乙酸乙酯萃取。質(zhì)譜使用EI 離子源，采用全掃模式，掃描范圍為50~400 m/z，進樣體積為1 μL，進樣溫度為250℃，以5 ℃/min 升溫速率升到300 ℃。確定中間產(chǎn)物后，進一步通過配備火焰離子化檢測器（FID）的GC 進行定量分析。

1.5 電化學測量

使用數(shù)據(jù)采集器（Agilent 34972A，美國）記錄電阻兩端的電壓。通過穩(wěn)態(tài)放電法將外電阻從20 000 Ω 到10 Ω 獲得計劃曲線。功率密度計算公式如下：

式中：P為功率密度，W/m2；U為電壓，V；I為電流，A；A為陽極的投影橫截面積，m2。

電極的CV 測試在電化學工作站（CHI660，上海辰華）中進行，采用三電極體系，以鉑電極為對電極，Ag/AgCl 為參比電極，修飾電極為工作電極，掃描速率為1 mV/s，掃描范圍為-0.8~0.8 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 藻炭及藻炭修飾電極的表征和電化學性能分析

2.1.1 不同藻炭修飾電極表面形貌

圖3 展示了藻炭及其原材料藻粉的掃描電鏡圖。從表面形貌來看，原材料藻粉呈球狀，表面有較多褶皺，光滑，無孔洞結(jié)構(gòu)。BC500、BC700 整體形貌類似，表面較為粗糙，但未觀察到孔洞結(jié)構(gòu)，其中BC500 材料表面有少量顆粒狀晶體結(jié)構(gòu)，這可能是熱解過程中，焦油與生物質(zhì)中鹽成分混合形成的殘留雜質(zhì)。HCl-AC500、HCl-AC700 整體形貌類似，表面相對光滑，有少量細小的孔洞出現(xiàn)，并有少量晶體狀雜質(zhì)附于材料表面。NaOH-AC500、NaOHAC700 表面形貌特征類似，表面粗糙，形成了豐富的孔狀結(jié)構(gòu)，孔徑小且密，呈蜂窩狀，具有更大的比表面積。在較大放大倍數(shù)視野中觀察發(fā)現(xiàn)，相比于NaOH-AC500 材料〔圖3（g）〕，NaOH-AC700 材料〔圖3（i）〕成孔率更高，孔洞更為密集。

圖3 藻炭材料SEM 圖Fig.3 SEM diagram of algal biochar

進一步對比微生物馴化后電極表面形貌特征，觀察各電極表面微生物附著情況，經(jīng)馴化后各電極表面形貌如圖4 所示。

圖4 MFC 陽極表面微生物附著情況SEM 圖Fig.4 SEM diagram of microorganism adhesion on MFC anode surface

由圖4（a）可知，CF 電極纖維結(jié)構(gòu)明顯，表面較為光滑，只有少數(shù)物質(zhì)附著在碳纖維絲表面，視野內(nèi)觀察到的微生物較少。由圖4（b）可知，BC700/CF 陽極表面發(fā)現(xiàn)有大塊球形顆粒物質(zhì)堆積，推測為藻炭材料與微生物的混合物，雖然量比較多，但是類型較為單一。由圖4（c）可知，HCl-AC700/CF 陽極表面能觀察到明顯的藻炭顆粒，且在藻炭顆粒上發(fā)現(xiàn)了少量球形微生物。由圖4（d）可知，NaOH-AC700/CF 陽極表面未發(fā)現(xiàn)由滴涂黏附的生物炭，但觀察到有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了大量桿狀微生物附著在其表面，推測該層狀結(jié)構(gòu)是由生物炭吸附陽極液中有機物質(zhì)形成的，表面粗糙，為微生物的提供了更大的黏附面積，利于微生物的富集與掛膜。

2.1.2 不同藻炭比表面積

比表面積是表征生物炭吸附能力的重要指標，作為MFC 陽極材料，比表面積越大，對污泥的黏附面積越大，越利于微生物在陽極表面的富集。不同活化方式下的藻炭比表面積如表2 所示。6 種藻炭材料中，2 種堿活化藻炭的比表面積遠大于未活化藻炭與酸活化藻炭。NaOH-AC500 與NaOH-AC700的比表面積分別為46.726 4 和664.203 4 m2/g。從活化溫度來看，NaOH-AC700 藻炭比表面積遠大于NaOH-AC500 的比表面積，該結(jié)果與SEM 形貌特征一致。

表2 不同類型藻炭比表面積Table 2 Specific surface area of different types of algal biochar

2.1.3 不同藻炭修飾電極的CV 曲線

CV 法是一種評價電極電化學性能的常用手段，CV 曲線的閉合面積越大，在相同時間內(nèi)轉(zhuǎn)移的電荷量越多，電極的電荷轉(zhuǎn)移能力也越強，表明電極表面具有更多的活性位點并且電極的導電性更好[29]。裸露炭氈以及其他不同藻炭修飾電極的CV 曲線如圖5所示。由圖5 可見，各藻炭修飾電極的閉合面積均明顯大于CF 電極，說明6 種藻炭修飾電極對電子的轉(zhuǎn)移都有一定的促進作用。按活化方法來看，堿活化藻炭修飾電極CV 曲線閉合面積最大，未活化與酸活化藻炭修飾電極閉合面積接近；按活化溫度看，700 ℃下活化的藻炭修飾電極CV 曲線閉合面積均大于500 ℃下活化的藻炭。總體來看，700 ℃下活化的NaOH-AC700 修飾電極電化學性能最好，NaOH-AC500 次之。其中，NaOH-AC700/CF 電極電化學性能遠好于其他藻炭修飾電極，具有良好的導電性。后續(xù)采用700 ℃下的各類生物炭修飾電極進行試驗。

圖5 藻炭修飾電極CV 曲線Fig.5 CV diagram of algal biochar modified electrodes

2.2 藻炭修飾陽極MFC 產(chǎn)電性能分析

為了考察不同藻炭修飾陽極在實際運用中對MFC 產(chǎn)電性能的影響，以BC700/CF、HCl-AC700/CF 和NaOH-AC700/CF 為MFC 陽極，與普通CF 電極對比，分析不同藻炭修飾電極對MFC 啟動與運行電壓輸出的影響，結(jié)果如圖6 所示。由圖6（a）可知，NaOH-AC700/CF-MFC 的響應時間最短，在第1 天就出現(xiàn)電壓響應，第2 天開始有較穩(wěn)定的電壓輸出，然后依次是HCl-AC700/CF-MFC 和BC700/CFMFC，CF-MFC 響應時間最長，在第7 天開始才有明顯的電壓輸出。從馴化階段的電壓輸出來看，NaOH-AC700/CF-MFC 最大輸出電壓達到0.65 V，HCl-AC700/CF-MFC 和BC700/CF-MFC最大輸出電壓接近，在0.6 V 左右，CF-MFC 最大輸出電壓最低，僅有0.53 V。研究表明，MFC 啟動時間與啟動響應電壓受電極材料、接種污泥和化學需氧量（COD）等因素影響[30]，電極材料是微生物參與陽極反應傳遞電子的接觸界面，是影響MFC 啟動的主要因素之一。NaOH-AC700/CF 陽極在MFC 馴化過程中展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，一定程度上說明NaOH-AC700/CF 具有良好的生物相容性。

反應器穩(wěn)定運行后的電壓輸出情況與啟動時基本一致。由圖6（b）可知，NaOH-AC700/CF-MFC 輸出電壓最高，最大可達0.67 V，分別是CF 陽極、BC700/CF 陽極和HCl-AC700/CF 陽極MFC 最高輸出電壓的1.26、1.20、1.14 倍。

圖7 為不同藻炭修飾陽極MFC 穩(wěn)定運行后的功率密度曲線與極化曲線。功率密度是一個直接反映微生物燃料電池產(chǎn)電性能優(yōu)劣的指標，功率密度越大，電池產(chǎn)電性能越好[31]。由圖7(a)可知，NaOHAC700/CF-MFC、 HCl-AC700/CF-MFC、 BC700/CF-MFC 和CF-MFC 最大功率密度分別為0.60、0.44、0.41 和0.29 W/m2，NaOH-AC700/CF-MFC 的最大功率密度是CF-MFC 的2 倍，高于Huggins 等[32]以林業(yè)殘渣和木屑殘渣生物炭構(gòu)建的生物炭電極MFC的最大功率密度〔（532±18）和（457±20）mW/m2〕。極化曲線反映了電極電位與電流密度之間的關(guān)系，是表征電極性能的重要指標。由圖7（b）可知，隨著電流密度的增加，NaOH-AC700/CF-MFC 的極化程度最低，進一步證明了NaOH-AC700/CF 陽極的優(yōu)異性能。

圖7 不同藻炭修飾陽極MFC 功率密度曲線與極化曲線Fig.7 MFC power density curve and polarization curve of different algal biochar modified anodes

2.3 MFC 對硝基苯陰極還原性能和降解途徑分析

2.3.1 不同藻炭修飾陽極對硝基苯陰極還原性能影響

不同藻炭修飾陽極MFC 硝基苯陰極降解與產(chǎn)物生成情況如圖8 所示。由圖8（a）可知，反應7 d 后， CF-MFC、 BC700/CF-MFC、 HCl-AC700/CFMFC 和NaOH-AC700/CF-MFC 的陰極對硝基苯的降解率分別為81.3%、94.5%、96.3%和99.3%，各反應器的苯胺生成率分別為18.9%、27.7%、29.6%、42.2%。相比于CF 陽極，NaOH-AC700/CF-MFC 的降解效率提高了22.1%，苯胺生成率提高了123.3%〔圖8（b）〕，且具有更高的反應速率，表明較大的系統(tǒng)功率密度利于陰極還原過程，該試驗結(jié)果與文獻[18,33]研究結(jié)果一致。

圖8 不同陽極MFC 體系硝基苯降解、產(chǎn)物生成及電壓變化Fig.8 Nitrobenzene degradation, product formation and voltage variation in different anode MFC systems

亞硝基苯是硝基苯還原生成苯胺過程中主要的中間產(chǎn)物，其濃度變化如圖8（c）所示，反應中亞硝基苯的濃度總體呈先升高后降低的趨勢。3 種藻炭修飾陽極MFC 亞硝基苯濃度在2 d 內(nèi)達到峰值，CFMFC 亞硝基苯濃度達到峰值的時間較晚，約在第4 天其峰值與BC700/CF-MFC 相近，低于NaOHAC700/CF-MFC 和HCl-AC700/CF-MFC。原因可能是反應前期，陽極COD 充足，微生物活性較高，大量硝基苯得電子還原為亞硝基苯。反應第2 天，亞硝基苯濃度達到峰值，與硝基苯競爭電子，此時硝基苯降解速率下降，苯胺生成量持續(xù)升高，直至第5 天，反應逐漸結(jié)束。在反應過程中，硝基苯、苯胺和亞硝基苯3 種物質(zhì)摩爾濃度之和始終處于逐漸下降的趨勢〔圖8（d）〕，反應結(jié)束后，觀察到陰極液呈淡黃色，初步推測反應過程中含有氧化偶氮苯和偶氮苯，由中間產(chǎn)物亞硝基苯與其進一步還原后生成的不穩(wěn)定化合物苯基羥胺（苯胲）縮合反應生成[34]。

對比硝基苯在各藻炭陽極MFC 與CF-MFC 的陰極還原發(fā)現(xiàn)，NaOH-AC700/CF 陽極不僅提升了MFC 對硝基苯的還原效率，同時提高了苯胺的生成率，降低了陰極亞硝基苯的積累，大大提升了MFC對硝基苯的定向還原能力。

圖8（e）為不同陽極MFC 陰極降解硝基苯時的電壓曲線，NaOH-AC700/CF-MFC 最大輸出電壓為0.58 V，分 別 是CF 陽 極、BC700/CF 陽 極 和HCl-AC700/CF 陽極MFC 最高輸出電壓的1.26、1.23、1.10 倍。與MFC 穩(wěn)定運行時的電壓相比均出現(xiàn)了下降的情況，但NaOH-AC700/CF 陽極的輸出電壓仍是最高的，因此陰極能獲得更多的電子加速硝基苯的還原。

2.3.2 不同陰極初始pH 對硝基苯陰極還原性能影響

pH 是影響MFC 性能的主要因素之一[35-36]。不同初始pH 條件下硝基苯降解和產(chǎn)物生成變化結(jié)果如圖9 所示。從降解速率來看，初始pH 越低，降解速率越快。pH 對苯胺生成效率影響顯著，pH 越低，苯胺生成量越高，pH 為5 時，反應終點苯胺生成量為52.8%，較初始pH 為6、7、8 時分別提升了16.6%、32.1%、67.3%。各反應器硝基苯、苯胺和亞硝基苯3 種物質(zhì)摩爾濃度之和如圖9（d）所示，pH 越低，反應終點3 種物質(zhì)之外的其他產(chǎn)物的生成量也越低。推測原因可能是當pH 較低時，會抑制氧化偶氮苯等產(chǎn)物的生成[37]，促進了硝基苯在陰極對苯胺的定向還原。

圖9 不同初始pH 條件下硝基苯降解和產(chǎn)物生成變化Fig.9 Nitrobenzene degradation and product formation changes at various initial pH

2.3.3 硝基苯陰極還原降解產(chǎn)物及路徑分析

通過GC-MS 譜圖分析硝基苯陰極還原的降解產(chǎn)物，檢測到的物質(zhì)有亞硝基苯、苯胺、硝基苯、偶氮苯和氧化偶氮苯，與文獻[38-39]中的結(jié)果基本一致，但本試驗中未檢測出苯基羥胺，推測可能是苯基羥胺不穩(wěn)定易分解所致[33]。

進一步研究在不同陽極類型、陰極電解質(zhì)、陰極初始pH 和硝基苯初始濃度條件下硝基苯陰極還原的特點，對偶氮苯與氧化偶氮苯進行定量分析，并計算硝基苯還原終點各產(chǎn)物占比，結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可見，以上4 個影響因素中，陽極類型與陰極初始pH 在硝基苯陰極還原中起關(guān)鍵作用。NaOH-AC700/CF-MFC 不僅提高了硝基苯的降解率，同時促進了硝基苯對苯胺的定向還原，且在4 種陽極MFC 中亞硝基苯積累量最低，減小了溶液的生物毒性，有利于陽極對該混合液的進一步降解，與2.3.1節(jié)結(jié)果一致。pH 是影響硝基苯還原的重要因素。當溶液呈堿性時，對硝基苯的還原明顯起抑制作用；當酸性增強時，硝基苯的降解率與苯胺的生成率明顯升高，利于后續(xù)反應的進行。硝基苯初始濃度與電解質(zhì)類型對硝基苯陰極降解的影響較小。

圖10 各條件下反應終點產(chǎn)物占比Fig.10 Proportion of end products under various conditions

基于以上產(chǎn)物分析，繪制MFC 陰極硝基苯的還原路徑（圖11）。亞硝基苯和苯基羥胺可通過縮合反應生成氧化偶氮苯，并可進一步還原為偶氮苯與氫化偶氮苯，最后得電子生成苯胺[40]。因此苯胺的生成量越多，說明硝基苯得到的電子越多，也反映了MFC 陽極向陰極傳遞的電子越多。

圖11 硝基苯陰極還原降解路徑Fig.11 Cathodic reduction degradation pathway of nitrobenzene

2.4 不同藻炭陽極表面微生物群落分析

不同藻炭修飾陽極MFC 陽極表面微生物Alpha 多樣性分析結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，與接種污泥相比，各電極表面微生物Ace 指數(shù)與Chao1 指數(shù)均有不同程度的降低；除CF 陽極MFC 外，各MFC 的Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)的下降也較為明顯，說明其環(huán)境中物種多樣性降低。橫向?qū)Ρ雀鞣磻靼l(fā)現(xiàn)，NaOH-AC700/CFMFC 中電極表面微生物各項指標均處于最低水平。研究表明，電化學性能好的MFC 中所形成的陽極生物膜上優(yōu)勢菌屬的豐度相對較高，但是微生物群落多樣性往往較低[41-43]。

表3 生物種群Alpha 多樣性分析Table 3 Alpha diversity analysis of biological population

圖12 是馴化前后微生物主要屬水平下的豐度（相對豐度排名前20）。從圖12 可以看到，接種污泥馴化前后優(yōu)勢菌差異巨大，接種污泥中優(yōu)勢菌種主要為氫噬胞菌屬（Hydrogenophaga）、脫氯桿菌屬（Dechlorobacter）、固氮弧菌屬（Azoarcus）和產(chǎn)乙酸嗜蛋白質(zhì)菌（Proteiniphilum）等厭氧反應中常見菌屬。經(jīng)馴化培養(yǎng)后，各MFC 反應器中主要優(yōu)勢產(chǎn)電菌屬為弧形桿菌屬（Arcobacter）和銅綠假單胞菌屬（Pseudomonas），還有少數(shù)反硝化細菌屬（Lentimicrobium）和地桿菌屬（Geobacter）等。

圖12 藻炭修飾陽極微生物馴化前后屬水平下菌群相對豐度（排名前20）Fig.12 Relative abundance of bacteria at genus level before and after acclimation of algal biochar modified anodes （top 20 genus）

弧形桿菌屬是一種常見的以乙酸鹽為電子供體的產(chǎn)電菌，能在短時間內(nèi)迅速產(chǎn)生較大的功率密度，是一種頗具潛力的產(chǎn)電微生物[44]。陽極產(chǎn)電菌的相對豐度一定程度上反映了MFC 的產(chǎn)電性能，橫向?qū)Ρ炔煌逄筷枠O表面優(yōu)勢菌屬的相對豐度發(fā)現(xiàn)，NaOH-AC700/CF 陽極表面的產(chǎn)電菌屬相對豐度最高，然后依次是HCl-AC700/CF 陽極、BC700/CF 陽極和CF 陽極。其中NaOH-AC700/CF陽極表面產(chǎn)電菌主要為弧形桿菌屬，相對豐度為65%；而HCl-AC700/CF 陽極和BC700/CF陽極表面弧形桿菌屬（Arcobacter）的相對豐度分別為35%和16%，銅綠假單胞菌屬的相對豐度分別為20%和15%。這在一定程度上解釋了NaOH-AC700/CF 陽極對MFC 啟動與穩(wěn)定運行時的促進效果。

陽極生物膜的微觀形貌與微生物群落分析結(jié)果表明，藻炭陽極特別是NaOH-AC700/CF 對陽極產(chǎn)電微生物的富集與掛膜具有良好的促進作用。

3 結(jié)論

（1）NaOH-AC700 具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，其比表面積遠大于未活化和酸活化藻炭，且使用NaOHAC700 修飾的炭氈電極擁有最多的電化學活性位點。NaOH-AC700/CF-MFC 的最大電壓為0.67 V，最大功率密度為0.60 W/m2，功率輸出比裸炭氈高出1 倍。

（2）通過對藻炭改性用以修飾MFC 的炭氈陽極，可提升MFC 的功率密度，加快了電子轉(zhuǎn)移速率，從而促進了硝基苯的陰極還原。MFC 去除硝基苯的最好工況：硝基苯的初始濃度為0.8 mmol/L，以NaOH-AC700/CF 為陽極，電解液為pH=5 的PBS 緩沖液，該工況下硝基苯去除率達99.9%。

（3）NaOH-AC700/CF 陽極的優(yōu)越性能歸因于其較大的比表面積和生物相容性，有利于微生物的吸附和生長，其良好的導電性對電極表面及內(nèi)部的電子傳遞有促進作用。弧形桿菌屬和銅綠假單胞菌屬是MFC 主要的產(chǎn)電菌。