Page 198 - 《精细化工》2022年第1期

·188· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

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output power density of 49.7 mW/m . At the phylum level, the dominant microbial communities of anode
were mainly Proteobacteria, Bacteroidetes and Firmicutes, while those of cathode were Bacteroidetes,
Actinobacteria, Proteobacteria and Acidobacteria. At the genus level, the dominant bacteria of anode were
Comamonas, Acetoanaerobium and Stenotrophomonas, while those of cathode were Rhodococcus,
Aridibacter, Thauera and Ignavibacterium.
Key words: microbial fuel cells; nitrification and denitrification; acetone; ammonia nitrogen; power density;
water treatment technology

丙酮作为基本的有机原料，广泛应用于农药、 现丙酮去除、硝化和反硝化过程的机理值得探讨。
医药、涂料等行业，这些行业排放的有机废水中含 本研究拟采用双室 MFC 处理丙酮/氨氮废水同
有高浓度的丙酮和氨氮化合物，且这些废水本身具 时回收电能，探究不同丙酮质量浓度对氨氮去除的
有复杂性和毒性，若直接排放到环境中，会对人体 影响以及 MFC 的产电性能，并测试阴极以及阳极的
健康和环境产生严重的危害 [1-3] 。因此，为了保障人 微生物群落结构。本研究对于推动 MFC 技术处理难
类和环境生态系统的健康与安全，有必要对丙酮/氨 降解有机废水及硝化和反硝化过程的应用具有重要
氮废水进行高效处理。 的理论价值和实践意义。
目前，处理丙酮/氨氮废水的方法有氧化（化学、
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电化学、光催化及其他氧化工艺） 、溶剂萃取 、 1 实验部分
[6]
[7]
吸附 和生物降解技术 。在这些技术中，生物法具 1.1 试剂与仪器
有经济、环保、不产生二次副产物和污染物等优点， 双室 MFC，单腔室的容积为 500 mL，阳极采
[8]
[7]
受到广泛青睐 。金艳青等 将膜工艺与厌氧生物反 用石墨碳毡（2 cm×5 cm，GF065，碳能科技股份有
应器组合构建了沼气循环厌氧膜生物反应器，并用 限公司），阴极为碳布（2 cm×5 cm，WOS1009，
于处理丙酮废水，丙酮去除率高达 91.18%，膜截留 碳能科技股份有限公司），碳布和碳毡使用前需要
与沼气循环装置大大提升了该反应器的混合和传质 依次经过丙酮、乙醇、去离子水超声 15 min 进行预
性能，但膜污染和成本问题有待解决。有机废水中 处理，去除纤维表面的杂质；两室间用 CEM（7 cm×
含有大量的生物质能源，若能从有机废水中提取能 7 cm，FAA-3-PK-130，德国 Fumasep）分割，CEM
量，有望缓解污水处理的成本问题。微生物燃料电 使用前用质量分数 0.5%的 NaCl 溶液浸泡 72 h 以去
池（MFC）是利用微生物的催化氧化作用将有机废 除添加剂；用钛丝导线连接阳极和阴极，两极之间
水中的化学能转换为电能，能够同时实现废水处理 连接可变电阻箱（ZX21，上海东茂电子科技有限公
与电能回收，是一种绿色能源技术 [9-11] 。近些年， 司）调节电阻大小，外联数据采集卡（MPS-010602，
MFC 已成功地从养殖场废水 [12] 、垃圾渗滤液 [13] 、制 北京启创莫非电子科技有限公司）记录 MFC 的输出
革废水 [14] 等污染物中提取能源，实现了废水的资源 电压；电化学性能测试通过配备有三电极体系的电
化处理，但目前关于 MFC 同步降解丙酮/氨氮废水 化学工作站（CHI660E，上海辰华仪器有限公司）
及产电的研究鲜见报道。从工程角度来看，同时去 进行；MFC 装置放入到恒温恒湿（30%）培养箱中，
除丙酮和氨氮是非常必要的研究，这既可以降低占 设定温度为(32±2) ℃。
地面积，又可以减少水力停留时间和运行成本。典 1.2 污泥接种
型的双室 MFC 包括阳极室、阴极室和中间离子交换 厌氧及好氧污泥分别取自污水处理工艺（北京
膜，基于阳极室的厌氧环境和阴极室的好氧环境， 碧水源科技股份有限公司）的厌氧段及好氧段，厌
为丙酮和氨氮的去除提供了理论可能性。MFC 阴极 氧污泥使用阳极液进行驯化，阳极液主要成分如下：
通过硝化作用将氨氮转化为硝态氮及亚硝态氮，主 质量浓度为 0.50 g/L 乙酸钠、0.50 g/L 氯化钠、
要通过以下两种途径去除：一是硝态氮或亚硝态氮 1.00 g/L 碳酸氢钠、0.53 g/L 磷酸二氢钾、3.30 g/L
通过阴离子交换膜（CEM）到达阳极室，通过反硝 磷酸氢二钠、5 mL 微量元素溶液〔每升微量元素溶
化细菌的作用转化为 N 2 ；二是硝态氮可作为阴极电 液含有 10 mL 盐酸（质量分数 25%）、1.50 g 四水
子受体，与从阳极产生的电子和质子结合，最终被 合氯化铁、0.07 g 氯化锌、0.10 g 四水合氯化锰、
[15] 。同时丙酮在阴极好氧微生物的作用下
还原为 N 2 0.19 g 六水合氯化钴、2 mg 二水合氯化铜、0.02 g
分解为 CO 2 和 H 2 O，由于丙酮降解菌和硝化细菌会 六水合氯化镍、0.04 g 钼酸钠〕、5 mL 维生素溶液
相互抑制，因而有必要研究丙酮的浓度对氨氮去除的 （每升维生素溶液含有 20 mg 生物素、20 mg 维生
影响及 MFC 的产电状况。再者，在一个反应器内实 素 B、100 mg 盐酸吡哆醇、50 mg 盐酸硫胺素、50 mg