微生物燃料電池去除疊氮化物和氨氮的特性與機(jī)制.pdf

1、疊氮化物廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品如汽車安全氣袋和爆破性雷管。城市廢水的氨氮主要來自于尿液水解。兩種含氮物質(zhì)都具有生物毒性。微生物燃料電池（Microbial fuel cell,MFC）作為一種綠色技術(shù)，能夠在微生物的催化作用下將水中化學(xué)物質(zhì)作為電子供體或受體進(jìn)行去除。疊氮化物對(duì)微生物的好氧呼吸過程有抑制作用，但其是否參與MFC生物陽(yáng)極的厭氧呼吸過程尚待確定。MFC已被證實(shí)可以利用尿液作為“燃料”，但尿液水解釋放的高濃度氨氮對(duì)MFC的長(zhǎng)期穩(wěn)定

2、運(yùn)行是否造成影響有待進(jìn)一步考察。本課題選取疊氮化鈉和氨氮（尿液水解產(chǎn)生）作為研究對(duì)象，考察MFC去除這兩類物質(zhì)的特性，探討其可能的去除機(jī)制。
　　考察了疊氮化物在MFC中去除的可行性。單室MFC在疊氮化物濃度高于0.2mM時(shí)產(chǎn)生的電流要低于對(duì)照反應(yīng)器。相似的現(xiàn)象也體現(xiàn)在庫(kù)倫效率上。不論疊氮化物初始濃度為多少，MFC均可不同程度地去除疊氮化物，表明疊氮化物可以作為陽(yáng)極生物膜的電子受體。考察了MFC在去除疊氮化鈉時(shí)具有的特性。在反應(yīng)器

3、中疊氮化物濃度較低時(shí)，溶解性COD（soluble COD,sCOD）的去除率為92.0±5.6％（0.1mM），93.5±4.9%（0.2mM），這與對(duì)照反應(yīng)器的sCOD去除率（91.5±3.5%）比較接近，但比反應(yīng)器中疊氮化物濃度較高時(shí)的sCOD去除率要高：82.0±2.8%，0.5mM;81.5±6.3%，1.0mM；82.0±4.2%，1.5mM。反應(yīng)器的最大功率密度隨疊氮化物濃度的增加而減小，從810.9mW/m2（0mM）下

4、降到330.3mW/m2（1.5mM）。功率密度和電極極化曲線在疊氮化物濃度高時(shí)均呈現(xiàn)“回折”現(xiàn)象，表明陽(yáng)極電化學(xué)活性受到強(qiáng)烈抑制。基于電化學(xué)交流阻抗考察生物陽(yáng)極表面的電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué),分析結(jié)果顯示生物陽(yáng)極電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻在疊氮化物濃度高時(shí)增加，表明部分電子用于疊氮化鈉在陽(yáng)極的還原。
　　采用焦磷酸測(cè)序、群落分析以及化學(xué)分析探究MFC對(duì)疊氮化物的去除機(jī)制。不管電極是否經(jīng)過疊氮化鈉馴化，生物陽(yáng)極上的優(yōu)勢(shì)菌群均為Geobacter(60.0

5、%,0mM;69.3%,1.5mM)，表明疊氮化物并沒有改變優(yōu)勢(shì)菌群的組成。為了進(jìn)一步考察生物陽(yáng)極上的胞外電子轉(zhuǎn)移途徑是否受疊氮化物誘導(dǎo)并發(fā)生改變。生物陽(yáng)極用循環(huán)伏安法進(jìn)行分析。結(jié)果顯示生物陽(yáng)極無(wú)論是否經(jīng)過疊氮化物馴化均具有相似的伏安圖，并具有相同的中點(diǎn)電位（-0.37±0.01V），表明疊氮化物存在時(shí)并不改變生物陽(yáng)極的胞外電子轉(zhuǎn)移途徑。另外，含有疊氮化物的反應(yīng)器產(chǎn)生的最大電流隨時(shí)間緩慢增加并接近對(duì)照反應(yīng)器產(chǎn)生的最大電流，表明疊氮化物影

6、響到陽(yáng)極細(xì)菌生長(zhǎng)。不同疊氮化物濃度下生物陽(yáng)極的CV峰高差異也說明了這一點(diǎn)?？疾殳B氮化物在雙室MFC陰、陽(yáng)的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)疊氮化物的還原產(chǎn)物均有氨，而且疊氮化物在非生物陰極上的還原為8電子反應(yīng),證明了疊氮化物可以在陰陽(yáng)極上同時(shí)去除。
　　考察了影響尿液MFC性能的因素。反應(yīng)器的最大功率隨時(shí)間延長(zhǎng)從143.5±4.9mW/m2下降到51.1±1.0mW/m2。反應(yīng)器性能下降主要跟陽(yáng)極嚴(yán)重極化有關(guān)?？紤]到游離氨對(duì)生物陽(yáng)極活性潛在的抑制作用，

7、構(gòu)建氮?dú)獯得撆c尿液MFC的組合系統(tǒng)（CN）用于去除過量的游離氨氮，而開路（OC）和閉合（CC）狀態(tài)下運(yùn)行的尿液MFC作為對(duì)照反應(yīng)器。為此考察了組合系統(tǒng)去除氨氮的特性。CN反應(yīng)器產(chǎn)生的最大功率為310.9±1.0mW/m2，而CC反應(yīng)器產(chǎn)生的最大功率為127.1±0.9mW/m2。CN反應(yīng)器對(duì)尿液的總氮去除率為84.9±2.2%，遠(yuǎn)高于CC(29.7±6.7%)或OC(30.0±8.2%)反應(yīng)器對(duì)尿液的總氮去除率。作為CN反應(yīng)器內(nèi)總氮的一

8、部分,有52.8±3.6%的總氮以氨氮的形式被回收，其中氨氮的回收速率為435.7±29.6g-N/(m3·d)。在處理后的尿液中，有214mg/L的NH3-N存在于CN反應(yīng)器中，1087mg/L的NH3-N存在于OC反應(yīng)器中，822mg/L的NH3-N存在于CC反應(yīng)器中。另外，在OC或CC反應(yīng)器內(nèi)陽(yáng)極上有鹽沉淀存在，而在CN反應(yīng)器內(nèi)則沒有鹽沉淀存在。因此，維持尿液MFC的穩(wěn)定運(yùn)行需要對(duì)氨氮進(jìn)行連續(xù)去除。
　　基于對(duì)電極的群落分析