有機廢水微生物電解產氫研究及電極微生物功能解析.pdf

1、當今全球范圍內不得不同時面對能源問題與環(huán)境問題，如何將二者兼顧是當前環(huán)境科學與工程學科的重要研究方向之一，同時如何突破現(xiàn)有方式和手段的局限性并發(fā)展新的技術則是本領域學科交叉和前沿性的發(fā)展趨勢和要求。針對有機廢水處理能源化，微生物電解電池（MEC）是國際上最近幾年提出并迅速發(fā)展的新技術，在較小的輔助電壓下借助具有電子傳遞功能的微生物可以有效的處理多種有機質并獲得氫氣，功能上兼顧廢水處理和清潔能源開發(fā)的雙重需求。本文針對提高 MEC反應器的

2、廢水處理和產氫能力，從反應器構造改進與優(yōu)化等方面開展分析研究，并采用單鏈異構多肽性技術對電極功能菌群進行分析；探索單極室 MEC反應器中產甲烷對產氫過程的競爭性影響，并提出控制方法；采用高通量基因芯片技術分析不同啟動模式對反應器效能的影響，解析反應器效能與功能菌群結構的內在聯(lián)系，并試圖揭示反應器中功能菌群的微生物生態(tài)學規(guī)律。
　　針對雙極室 MEC反應器，通過對反應器構造改進，逐步提高了系統(tǒng)廢水處理能力和產氫能力，同時，提出以陽極

3、電極電勢指示和分析產氫過程的思路。將雙極室反應器電極距離壓縮70％，質子交換膜面積增大一倍，發(fā)現(xiàn)體系內阻降低了62%，電子傳遞庫侖效率從56%增加到70%，采用普通活性炭為填料提高陽極室比表面積后庫侖效率進一步提高到80%。氫氣的轉化率從最初的0.5 mol/mol乙酸鹽提高到1.4 mol/mol乙酸鹽，依據(jù)消耗電能核算獲得氫氣能量的能量效率從60%提高到110%左右。以微生物陽極電勢作為MEC工藝運行指示參數(shù)的方法，研究結果表明，陽

4、極電極電勢低于-200 mV（氯化銀參比電極）時體系產氫，陽極室pH值6.0～7.0以及底物濃度不低于50 mg·L-1可以保持持續(xù)產氫。同時，懸浮液功能菌的存在對降低體系電子傳遞阻力和維持產氫低電極電勢有積極作用。
　　采用單鏈異構多肽性技術分析雙極室 MEC反應器陽極生物膜群落，發(fā)現(xiàn)Pseudomonas為代表的細胞外電子傳遞功能菌，而其他眾多優(yōu)勢菌不具備電子傳遞相關功能。通過反應器中菌群分布分析，懸浮液菌群構成可以反映生物膜

5、群落結構，但是在數(shù)量構成和比例上有所不同；質子交換膜在陽極室一側會生成生物膜，但數(shù)量和種類十分有限，這些菌功能上不與消耗氫氣或者利用電子相關。分析認為，陽極室內非電子傳遞功能菌是導致體系庫侖效率降低的原因。但是以陽極生物膜啟動新反應器時，菌群競爭并沒有導致電子傳遞功能菌優(yōu)勢擴大，初步認為電子傳遞功能菌與其他優(yōu)勢菌群并不是對立和競爭關系。
　　采用構造改進的單極室 MEC反應器，可以獲得更高的處理效率和能量效率，但是產甲烷現(xiàn)象不可避

6、免并造成氫氣收益損失。在0.5 V以上電壓條件下，COD去除率和庫侖效率可達90%以上，氫氣產率為3.0 mol/mol乙酸鹽，能量效率可以達到180%左右。針對MEC運行過程產甲烷導致氫氣損失的問題，在以氫氣消耗產甲烷為主要途徑的分析上，提出了增高外加電壓促使氫氣產生速率提高和抑制產甲烷的可能性。實驗表明，當電壓低于0.4 V時最終氣體產物中甲烷含量可以高達10%以上，當提高到0.6 V以上時可以將甲烷含量控制在4%以下。
　　

7、通過對單極室 MEC不同啟動模式下的生物膜菌群功能基因結構分析，發(fā)現(xiàn)直接外加電壓的MEC產氫啟動反應器在庫侖效率和產氫收率上具有優(yōu)勢。分析發(fā)現(xiàn)，增高外加電壓可以對部分碳降解和與金屬耐受性相關功能基因表達起到促進作用。MEC產氫啟動在較高外加電壓下，反應器效果最好，其基于細胞色素基因的電子傳遞功能菌構成更豐富，Pseudomonas菌類信號最強。在底物降解上，以乙酸鹽為單一碳源能夠形成功能豐富的微生物群落，涉及十多個方面的物質代謝和元素循

8、環(huán)過程，體系具備降解復雜底物的能力，如纖維素等。由此推測，在處理有機質時不同功能菌間存在著密切協(xié)作關系。以反應器效能參數(shù)（庫侖效率，COD去除率，氣體產物H2、CH4和CO2）作為環(huán)境因子，對菌群功能基因結構影響分析，結果表明庫侖效率與底物去除與群落功能影響最密切，而氫氣與甲烷產物并不是顯著關聯(lián)因素。
　　對微生物電解電池體系功能差異在菌群結構上的影響進行分析，借鑒微生物生態(tài)學理論的群落多穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象對電極微生物群落差異對反應器效能的