微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是一種廢水資源化技術(shù)，具有污泥產(chǎn)生量小的特點(diǎn)，可用于生活污水、豬場廢水、食品加工廢水及垃圾滲濾液等處理.光合微生物應(yīng)用于MFCs領(lǐng)域產(chǎn)生了光微生物燃料電池(Photosynthesis Microbial Fuel Cells，Photo-MFCs)，在實(shí)現(xiàn)污染物化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的同時(shí)將光能轉(zhuǎn)化為電能，因而受到越來越多的重視.

　　養(yǎng)豬場廢水含有大量有機(jī)物、懸浮物、氮、磷，并散發(fā)惡臭氣體，水量大且排放集中，對水體造成極大污染.利用MFCs處理養(yǎng)豬場污水的同時(shí)，還能獲得電能.Min等采用單室空氣陰極MFCs處理豬場廢水，電池的功率密度隨廢水COD的升高而增大，MFCs運(yùn)行100 h，氨氮和溶解性COD去除率分別為83%±4%和86%±6%，但處理后廢水中硝態(tài)氮和磷濃度反而略有升高.Kim等的研究表明，單室MFC具有很好的除臭性能.李小虎等(以乙二胺改性陽極構(gòu)建的MFCs處理養(yǎng)豬場排放廢水，發(fā)現(xiàn)COD和氨氮均有較高的去除率，日平均去除量分別為429.3 mg · L-1和82.6 mg · L-1，zui大功率密度為208 mW · m-2.但現(xiàn)階段，MFCs在處理養(yǎng)豬廢水方面還存在無機(jī)氮、磷處理效果差等缺點(diǎn).

　　微藻應(yīng)用于MFCs陰極，通過光合作用生成O2為MFCs提供電子受體，利用無機(jī)氮、磷合成生長所需的有機(jī)物，可提高M(jìn)FCs處理含氮、磷廢水的能力.光合細(xì)菌應(yīng)用于MFCs陽極，厭氧條件下代謝有機(jī)物，可降低廢水COD.Photo-MFCs實(shí)現(xiàn)廢水處理的同時(shí)，收獲的光合微生物可用于餌料生產(chǎn)或生物質(zhì)能源開發(fā)，提升了其在新能源開發(fā)和廢水處理方面應(yīng)用的潛力.

　　基于此，本研究將微藻和光合細(xì)菌分別接種于雙室MFCs的陰極和陽極，構(gòu)建Photo-MFCs，考察其廢水處理效果，論證其處理養(yǎng)豬廢水 的同時(shí)獲得光合微生物和電能的可行性.

　　2 材料與方法

　　2.1 豬場養(yǎng)殖污水

　　實(shí)驗(yàn)所用養(yǎng)豬廢水取自廈門市郊某養(yǎng)豬場，為豬糞和豬舍沖洗水組成的混合廢水，其水質(zhì)特征如表 1所示.

　　表1 實(shí)驗(yàn)用養(yǎng)豬廢水水質(zhì)特征

　　2.2 MFCs裝置構(gòu)造

　　本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的MFCs為采用有機(jī)玻璃板制成的雙室MFCs(圖 1).陽極室和陰極室的體積均為135 cm3，陰陽極碳?xì)直砻娣e均為16 cm2(4 cm × 4 cm)，陰極室和陽極室均用質(zhì)子交換膜隔開，裝置底端和頂端設(shè)置進(jìn)、出水口，外接1000 Ω電阻，外電路通過導(dǎo)線與電極相連構(gòu)成回路.MFCs輸出電壓由數(shù)據(jù)采集器每5 min采集1次.

　　圖 1 光合微生物燃料電池裝置

　　2.3 Photo-MFCs的接種與運(yùn)行

　　以0.2 V(vs.Ag/AgCl)電位及光照富集的光合菌群為Photo-MFCs陽極接種物，柵藻(Desmodesmus sp. A8)為陰極微生物;Photo-MFCs啟動階段陽極液為人工廢水，陰極液為BG11培養(yǎng)基，電池穩(wěn)定運(yùn)行后陽極液為養(yǎng)豬廢水，陽極出水為陰極進(jìn)水.反應(yīng)器置于3000 lx光照下運(yùn)行，溫度恒定在28 ℃.待輸出電壓降至40 mV以下更換培養(yǎng)液.

　　2.4 水質(zhì)分析

　　氨氮、磷及COD的測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》.待測液用0.45 μm濾膜過濾，COD測定采用重鉻酸氧化法，氨氮測定采用納氏試劑比色法，TP測定采用鉬酸銨分光光度法.氨氮、磷及COD的去除率(r)計(jì)算公式如下：

　　式中，C0和Ct分別為初始濃度和處理t天后的濃度.

　　2.5 微藻生長曲線繪制

　　采用F-4600分光光度計(jì)在680 nm處測定微藻Desmodesmus sp.A8培養(yǎng)物的光密度(OD680)，以考察微藻的生長情況.

　　2.6 氮、磷對微藻生長的影響

　　以BG11培養(yǎng)基為基礎(chǔ)，考察了氮源、氮濃度及磷濃度對陰極微藻A8生長的影響.氮源實(shí)驗(yàn)采用氮濃度為250 mg · L-1的硝氮(NaNO3)、氨氮(NH4Cl)、有機(jī)氮(尿素)及硝銨混合氮(NH4NO3);氮濃度實(shí)驗(yàn)添加硝酸鈉，氮濃度分別為0、5、50、125、250 mg · L-1;磷濃度實(shí)驗(yàn)采用K2HPO4，磷濃度分別為0.8、7.2、21.6、64.8 mg · L-1.

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 氮源及氮磷濃度對Photo-MFCs陰極微藻生長的影響

　　養(yǎng)豬廢水含氮污染物種類多、濃度高，對微藻生長有一定影響，本研究首先考察了高濃度氮源對陰極微藻Desmodesmus sp. A8生長的影響(圖 2a).由圖 2a可知，4 種氮源都能促進(jìn)陰極微藻Desmodesmus sp. A8的生長，尿素為氮源的微藻生長狀況，其次是硝氮、混合氮，zui差的是氨氮.硝氮、氨氮、混合氨和尿素為氮源培養(yǎng)20 d，光密度值(OD680)分別為2.03、1.45、1.74和2.33，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，陰極微藻Desmodesmus sp. A8不僅能利用無機(jī)氮(硝氮和氨氮)，而且也能利用有機(jī)氮(尿素)，并能適應(yīng)較高的氮濃度.

　　圖 2 氮源(a)、氮濃度(b)、磷濃度(c)對微藻A8生長的影響

　　氮、磷是微藻生長過程中zui基本的營養(yǎng)元素，它們參與包括葉綠素分子在內(nèi)的有機(jī)物合成(張正斌等，2004).氮、磷濃度對Desmodesmus sp.A8生長的影響如圖 2b和2c所示.顯著性分析表明，隨著氮、磷濃度的升高，微藻比生長速率更快，但在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的氮、磷濃度范圍內(nèi)，氮、磷濃度升高到一定值后對微藻A8生長影響不顯著(p>0.05).

　　3.2 光照對陽極光合細(xì)菌群電勢的影響

　　開路電勢(Open Circuit Potential，OCP)反應(yīng)了微生物的代謝途徑，常用于表征微生物燃料電池的性能(Liu et al., 2005).光暗條件下接種光合細(xì)菌群的生物電化學(xué)系統(tǒng)開路電勢變化如圖 3所示，在黑暗條件下，陽極接種取自0.2 V(vs. Ag/AgCl)電位富集的光合菌群代謝乙酸鈉，開路電勢迅速下降，40 h后穩(wěn)定在-0.4 V(vs. Ag/AgCl);黑暗條件下穩(wěn)定運(yùn)行180 h后，給予光照(1500 lx)，OCP迅速降低，說明光照能提高光合細(xì)菌的還原活性.另外，光照條件下，隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，陽極液玫瑰紅色逐漸加深.光照條件下體系OCP降低至-0.6 V(vs. Ag/AgCl)并穩(wěn)定，說明光合細(xì)菌在光照條件下存在有別于黑暗條件的代謝方式和電子傳遞路徑.

　　圖 3 光暗條件下光合菌群OCP(vs. Ag/AgCl)變化(180 h添加光照)

　　3.3 以養(yǎng)豬廢水為基質(zhì)的Photo-MFCs產(chǎn)電特性

　　構(gòu)建的Photo-MFCs以含乙酸鈉的人工廢水作為陽極液啟動并運(yùn)行2個(gè)周期后，陽極液更換為待處理養(yǎng)豬廢水，Photo-MFCs以這兩種廢水作為燃料的電壓隨時(shí)間的變化如圖 4所示.由圖可知，產(chǎn)電曲線總體呈現(xiàn)上升、平穩(wěn)和下降3個(gè)階段，剛加入廢水時(shí)，微生物所需要的營養(yǎng)物質(zhì)得以補(bǔ)充，電壓迅速上升至zui大值并穩(wěn)定，出現(xiàn)較好的產(chǎn)電平臺，隨著廢水中有機(jī)物被降解，電壓逐漸下降.

　　圖 4 Photo-MFCs以人工廢水和養(yǎng)豬廢水為燃料產(chǎn)電特性

　　構(gòu)建的Photo-MFCs以人工廢水和養(yǎng)豬廢水為陽極液的產(chǎn)電曲線略有不同，外阻R=1000 Ω，Photo-MFCs以含乙酸鈉的人工廢水為基質(zhì)，穩(wěn)定的輸出電壓約為207 mV，運(yùn)行兩個(gè)循環(huán)后，陽極液更換為養(yǎng)豬廢水，電池輸出電壓下降至184 mV.可能由于養(yǎng)豬廢水成分更加復(fù)雜，對陽極微生物的生長產(chǎn)生了不利沖擊，導(dǎo)致電池輸出電壓下降至161 mV，并趨于穩(wěn)定.

　　3.4 Photo-MFCs處理養(yǎng)豬廢水

　　構(gòu)建的Photo-MFCs以養(yǎng)豬廢水為基質(zhì)穩(wěn)定運(yùn)行后，每次換液量為64 mL(即0.5倍陽極液)，表 2是第2個(gè)產(chǎn)電周期內(nèi)養(yǎng)豬廢水經(jīng)Photo-MFCs處理前后水質(zhì)的變化情況.由表 2可知，養(yǎng)豬廢水經(jīng)過Photo-MFCs陽極和陰極處理后，廢水中COD、氨氮和總磷都有較高的去除率，經(jīng)過1個(gè)運(yùn)行周期(水力停留時(shí)間為4 d)，陽極對養(yǎng)豬廢水COD平均去除率為 70.6%，氨氮平均去除率為46.9%，但對磷的去除率只有16.1%;陽極出水經(jīng)微藻陰極進(jìn)一步處理后，磷的濃度下降至9.2 mg · L-1，總的去除率達(dá)81.7%;COD與氨氮總的去除率分別為91.8%和90.2%，養(yǎng)豬廢水經(jīng)過陽極光合細(xì)菌和陰極微藻處理后呈現(xiàn)透明狀態(tài)，渾濁度明顯下降，臭味也幾乎消失，但出水呈棕黃色.

　　　　表2 Photo-MFCs進(jìn)出水水質(zhì)

　　3.5 陰極柵藻在不同處理廢水中的生長

　　為了考察陽極處理后養(yǎng)豬廢水是否可用于微藻培養(yǎng)，本文以O(shè)D680為細(xì)胞密度指標(biāo)，監(jiān)測了柵藻A8在BG11培養(yǎng)基、養(yǎng)豬廢水、稀釋1倍的養(yǎng)豬廢水及經(jīng)陽極光合菌群處理的養(yǎng)豬廢水中的生長情況，結(jié)果如圖 5所示.在養(yǎng)豬廢水中，培養(yǎng)前3 d OD680有一定的升高，但3 d后細(xì)胞密度開始下降，培養(yǎng)16 d OD680僅為1.23.在稀釋1倍養(yǎng)豬廢水、經(jīng)陽極光合細(xì)菌處理后的養(yǎng)豬廢水及BG11培養(yǎng)基中，微藻光密度隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，光密度逐漸增大，但微藻A8在這3種培養(yǎng)液中的生長速率不同，培養(yǎng)16 d后，OD680值分別達(dá)到3.75(BG11)、2.43(稀釋1倍養(yǎng)豬廢水)、3.40(光合菌處理后養(yǎng)豬廢水).

　　圖 5 不同水體培養(yǎng)條件下微藻生長曲線

　　用處理后的養(yǎng)豬廢水培養(yǎng)微藻A8，其光密度高于稀釋后的養(yǎng)豬廢水，僅次于對照組BG11培養(yǎng)基.養(yǎng)豬廢水污染物種類多、COD高等因素可能是導(dǎo)致微藻生長緩慢的主要原因，養(yǎng)豬廢水稀釋后污染物濃度降低，對微藻生長的影響減弱，經(jīng)過陽極處理的廢水，污染物濃度降低的同時(shí)，氮、磷的殘留又能滿足微藻的生長.

　　4 結(jié)論

　　1)Photo-MFCs陰極微藻A8不僅對無機(jī)氨氮和有機(jī)尿素有比較好的適應(yīng)性，且能在高濃度氮(250 mg · L-1)、磷(64.8 mg · L-1)條件下正常生長.

　　2)以光合細(xì)菌群為陽極微生物，微藻為陰極微生物構(gòu)建的Photo-MFCs利用養(yǎng)豬廢水為燃料產(chǎn)電是可行的，該P(yáng)hoto-MFCs以含乙酸鈉的人工廢水為基質(zhì)，輸出電壓為207 mV(外阻R=1000 Ω)，以養(yǎng)豬廢水為基質(zhì)，電池穩(wěn)定輸出電壓為161 mV.

　　3)構(gòu)建的Photo-MFCs能利用養(yǎng)豬廢水產(chǎn)電并達(dá)到凈化水質(zhì)的效果.養(yǎng)豬廢水先后經(jīng)過陽極和陰極的處理，COD去除率為91.8%，氨氮去除率為90.2%，磷的去除率達(dá)81.7%，并具有較好的除臭性能.

　　4)微藻A8能在光合細(xì)菌群處理的養(yǎng)豬廢水中很好地生長，培養(yǎng)16 d后，OD680值為3.40，僅次于BG11培養(yǎng)基的3.75，優(yōu)于稀釋1倍養(yǎng)豬廢水培養(yǎng)獲得的2.43，微藻在養(yǎng)豬廢水原液中幾乎沒有生長.