Page 199 - 《精细化工》2022年第1期

第 1 期 刘远峰，等: 微生物燃料电池处理丙酮和氨氮废水及同步产电性能 ·189·

核黄素、50 mg 烟酸、50 mg D-泛酸钙、50 mg 维生 较高的氧化还原电势，本身可作为电子受体与阳极
素 B12、50 mg 对氨基苯甲酸、50 mg 硫辛酸、50 mg 产生的电子和质子结合发生化学反应，生成 N 2 [18] 。
烟酰胺、50 mg 氯化血红素、50 mg 1,2-萘醌、50 mg 高浓度丙酮会抑制硝化细菌的活性，使得氨氮的转
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维生素 K2）。阴极液中主要成分为丙酮（质量浓度 换效率变低，造成 NO 3 和 NO 2 浓度的降低，因而会
分别为 50、100、300、500、700 mg/L）、氨氮（质 对 MFC 的产电性能产生影响。由图 1 可知，随着丙
量浓度为 200 mg/L）、磷酸盐缓冲液（PBS，0.5 酮质量浓度的逐渐升高直至 300 mg/L 时，MFC 的
mol/L，pH 7.3）。用阴极液驯化好氧污泥并曝气， 稳定输出电压基本在 0.22 V 左右，说明丙酮质量浓
将驯化好的污泥分别装入阳极室和阴极室，并添加 度对硝化细菌的抑制作用较小。然而，当丙酮质量
阳极液和阴极液进行 MFC 启动，每次电压低于 0.05 浓度达到 500 mg/L 时，MFC 的输出电压逐渐减弱，
V 更换阳极液及阴极液，采用分批次进样，连续启 且呈逐渐下降趋势，当丙酮质量浓度进一步增加到
动 3 个周期待输出电压稳定后进行产电性能测试， 700 mg/L 时，MFC 的输出电压进一步下降，说明丙
每次更换阳极液时用 N 2 吹 5 min 以保证厌氧环境， 酮对硝化细菌的最佳抑制质量浓度为 300 mg/L。
阴极室通入空气保证好氧微生物的活性。
1.3 分析测试方法
化学需氧量（COD）按照 GB11914—89 测定。
氨氮的测定按照 HJ 535—2009 测定。丙酮质量浓度
的测定采用文献[16]报道的方法，测试前水样用 0.45
μm 水系微孔滤膜过滤。功率密度通过稳态放电法测
定，即通过测定 MFC 在不同外电阻条件下稳定放电
UI
时的输出电压，根据公式 P  〔电压 U 通过数据
R
采集卡测定（V），电流 I（A）通过计算电压 U 与

外接电阻的阻值 R（Ω）获得，功率与阳极面积的比 图 1 丙酮质量浓度对 MFC 输出电压的影响
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值即为功率密度 P（mW/m ）〕。通过测定输出电 Fig. 1 Effect of acetone mass concentration on MFC output
压及电流密度得到极化曲线。循环伏安曲线和放电 voltage

电流曲线通过电化学工作站进行测试，其中电极材 2.2 功率密度和极化曲线
料作为工作电极，甘汞电极作为参比电极（SCE）， 由于丙酮会抑制硝化细菌的活性进而影响氨氮
铂电极作为对电极。阳极及阴极表面微生物的形貌 转化成 NO 3 的量，而且 NO 3 浓度又会影响阳极反硝
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通过场发射扫描电子显微镜（FESEM，SUPPA 55， 化细菌的活性以及阴极电子受体的浓度，因而 MFC
德国卡尔蔡司公司）进行分析，微生物群落结构通 的产电性能会存在差异。通过改变外电路电阻得到
过 16s rRNA 基因测序技术〔生工生物工程(上海)股 的功率密度曲线和极化曲线见图 2。由图 2a 可知，
份有限公司）〕进行分析，具体操作方法参照文献[17]。
当丙酮质量浓度为 300 mg/L 时，MFC 产生的最大
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输出功率密度为 49.7 mW/m ，而高于或低于此质量
2 结果与讨论
浓度时，MFC 的输出功率密度均有所下降，可能是
2.1 丙酮浓度对 MFC 输出电压的影响 由于丙酮质量浓度低时，对硝化细菌的抑制作用小，
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外电阻设定为 1000 Ω，测试了阴极溶液中不同 因而产生了大量的 NO 3 ，由于浓度梯度作用 NO 3 转
丙酮质量浓度（50、100、300、500、700 mg/L）时 移到阳极室，反硝化细菌消耗了有机碳源，将 NO 3 –
对 MFC 产电性能的影响，结果如图 1 所示。输出电 转换为 N 2 ，而产电微生物可利用的有机碳源减少，
压曲线分为电压上升期、电压稳定期以及电压下降 导致产生的电子数量低，因而输出功率密度低。丙
期，刚开始加入营养物质时，阳极中的产电微生物 酮质量浓度为 300 mg/L 时，由于对硝化细菌的抑制
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消耗有机物产生电子，电压逐渐升高直至稳定，待 作用小，因而仍能产生足够量的 NO 3 ，一部分 NO 3 –
阳极中的有机物消耗殆尽时，产电微生物活性降低， 转移到阳极室参与反硝化过程，然而由于丙酮质量
输出电压逐渐降低。阴极中加入丙酮和氨氮，在好 浓度的升高，导致溶液中氧气的浓度降低，因而 NO 3 –
氧微生物的作用下，丙酮逐渐被分解，氨氮逐渐转 成为优势电子受体，而另一部分直接在阴极与电子
变为亚硝态氮或硝态氮，由于浓度梯度的原因，部 和质子结合，转换成 N 2 ，因而 MFC 的输出功率有
分亚硝态氮或硝态氮从阴极转移到阳极室，在反硝 所升高。当丙酮质量浓度进一步升高时，硝化细菌
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化细菌的作用下转换成 N 2 。此外，NO 3 和 NO 2 具有 的活性受到抑制，导致阴极中 NO 3 浓度降低，由于