Page 171 - 《精细化工》2023年第1期
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第 1 期             谢岳林，等:  微生物燃料电池-好氧颗粒污泥系统中 C/N 对阴极微生物的影响                                ·163·


                                                                                              3
            机，是一种具有很好应用前景的能源转化技术。而                             制而成），由尺寸大小均为 216 cm （6  cm×6  cm×
            好氧颗粒污泥（AGS）是一种密实的微生物团聚体，                           6 cm）的阳极室、阴极室构成，反应器整体使用有
            以生物降解、生物累积和生物吸附的方式去除水体                             机玻璃构成并用硅胶垫密封。在阴极室和阳极室的
                       [2]
            中的污染物 。在常规生物脱氮工艺中，需要为硝                             外侧设有进水口和出水口，上部开孔为电极插孔和
            化和反硝化过程构造好氧、厌氧以及缺氧条件。而                             取样口。阳极室和阴极室中间由一张有效面积为
                                                                    2
            在好氧颗粒污泥系统中，由于颗粒外部区域的微生                             25 cm （5 cm×5 cm）的质子交换膜（Nafion 117 型
            物呼吸以及氧的扩散限制，形成了有氧、缺氧、厌                             全氟硫磺质子交换膜）隔开，采用 HESEN 亲水碳布
                                                                                       2
            氧的微环境，单个颗粒中存在不同的氧化还原条件                             作为电极，有效面积为 16 cm （4 cm× 4 cm）。为增加
            以及内外层的氧浓度梯度，可以实现同步硝化反硝                             其导电性能，将电极按照文献[10]方法进行改性。
            化（SND）过程       [3-4] 。                             采用铂电极夹片固定碳布，应通过导线连接 1000 Ω
                 目前，AGS-MFC 耦合系统并未得到实际应用。                      的外电阻，由此组成闭合回路。
            虽然已有相关文献论述了将好氧颗粒污泥与 MFC                                阳极接种污泥为南昌市青山湖污水处理厂二沉
            进行耦合可加快 MFC 的启动时间以及获得更高的                           池回流污泥（主要成分是泥水混合物）。取 300 mL
                 [5]
            电压 ，但是对于进水成分及其浓度对 AGS-MFC                          泥水混合物经孔径为 0.6 mm 筛网去除杂质颗粒并
            耦合系统中微生物造成影响进而导致该系统性能差                             用去离子水清洗多次后放入无菌锥形瓶中，随后添
            异还有待研究，因此，这种耦合系统在更大范围内                             加已通入 20 min 氮气去除溶解氧的阳极营养液。阳
            的机制和适用性仍需深入探究。其中，化学需氧量                             极营养液的组成为 1 g/L 无水乙酸钠，0.191 g/L 的
                           +
            （COD）与 NH 4 -N 的质量浓度之比，简称碳氮比                       NH 4Cl、0.5 g/L 的 NaCl、0.02 g/L 的 CaCl 2 、0.015 g/L
            （C/N）对 MFC 进行废水处理过程具有重要影响。                         的 MgSO 4 、1.0 g/L 的 NaHCO 3 、5.0 g/L 的 KH 2 PO 4 、
            对于有微生物参与反应的过程，进水底物中的 C/N                           3.857 g/L 的 K 2 HPO 4 和 12.5 mL/L 的微量元素（所
            水平对 MFC 阳极室内的产电微生物和阴极室内的                           用原料均为市售）        [11] 。最后，将接种污泥置于恒温
            好氧颗粒污泥微生物都会产生相应的影响，这些影                             水浴振荡器中 150 r/min、30  ℃培养。经过 14 d 的
            响会体现在不同进水 C/N 条件下系统的污染物去除                          培养后，原泥已经驯化为黑色的厌氧污泥。阴极接
            性能、产电性能和微生物群落结构的变化。尤其是                             种好氧颗粒污泥取自实验室稳定运行的序列间歇式
            对于阴极室内的生物脱氮过程，进水 C/N 对好氧颗                          活性污泥法（SBR）反应器，平均直径 0.5~1.0 mm，
            粒污泥的理化和微生物特性具有重要作用                   [6-8] 。LUO    呈棕黄色球形。阳极室接种厌氧污泥质量浓度为
              [9]
            等 采用连续气升式生物反应器进行好氧颗粒污泥
                                                               6 g/L，阴极室接种好氧颗粒污泥质量浓度为 4 g/L
            的培养，探究了不同进水 C/N 对好氧颗粒污泥稳定
                                                               （除未加无水乙酸钠其他成分与阳极营养液相同），
            性的影响，结果显示，C/N 从 2 降到 1，颗粒污泥
                                                               开始启动 MFC。
            的大小、沉降性能以及硝化速率都随之变差，分析
                                                               1.2  MFC 的运行
            认为，胞外多糖和酪氨酸的大幅度减少是导致颗粒
                                                                   采用序批操作模式，使用 VICTOR 86B 数字万
            污泥解体的关键因素。另外，随着 C/N 的降低，微
                                                               用表采集电压，采集频率设为 1 min，当电压降为
            生物的群落也发生了显著变化，氨氧化细菌（AOB）
                                                               50 mV 以下时结束当前周期。在新周期开始前使用
            菌群的丰度变得较高，而亚硝酸盐氧化细菌（NOB）
                                                               蠕动泵将上一个周期的阳极上清液抽入阴极室中作
            菌群数量减少，这将有助于系统的硝化作用。这说
                                                               为新周期的阴极液，此时大部分有机物已经在阳极
            明不同的进水 C/N 会影响好氧颗粒污泥中微生物的
                                                               室内被微生物分解，产生的电子和质子分别通过外
            生长活性和代谢功能。
                                                               接导线和质子交换膜传输到阴极，然后阳极室中重
                 为此，本文通过高通量测序技术研究了在进水
                                                               新抽入新的阳极液，至此开始一个新周期。待相邻
            C/N 分别为 20、15、10、5 的条件下 AGS-MFC 耦
                                                               两个周期最大电压值相近时，认为 MFC 成功启动。
            合系统中阴极微生物群落结构的变化，利用 KEEG
                                                               为确保阳极室中微生物与阳极液充分混合，本实验
            代谢通路预测手段分析耦合系统各功能菌群的协同
                                                               采用磁力搅拌器对阳极室进行搅拌。阴极室通过空
            机制，以利于培养和保留沉降良好的颗粒污泥，从
                                                               气泵进行曝气，以提供电子受体，同时利用微生物
            而提高系统对氮类污染物的处理能力。
                                                               进行阴极液脱氮以及再进一步去除部分残余 COD，
            1   实验部分                                           阴极室溶解氧通过气体转子流量计控制在质量浓度
                                                               5 mg/L 以上。MFC 实验装置及流程示意图如图 1 所示。
            1.1   材料                                           1.3   实验设计
                 采用传统的双室 MFC 装置（材料为亚克力，定                           采取不同阳极进水 C/N 作为影响因素，人工配
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