含氮雜環(huán)芳烴類難降解有機物的MFC的降解及產電特性研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)是一種利用微生物的催化作用，將燃料中的化學能轉化為電能的電化學裝置，它可以在高效處理廢水的同時產生電能，因此具有廣闊的發(fā)展前景。本文從以下方面對含氮雜環(huán)芳烴類難降解有機物的MFC的降解及產電特性進行研究：
　　 首先，通過構建單電極、四電極上下式MFC以及填料型MFC，對其利用喹啉和葡萄糖為混合燃料時喹啉產電可行性以及產電特性區(qū)別進行了比較研究。試驗結果表明，三種類

2、型的MFC均能以喹啉和葡萄糖為混合燃料進行產電。當以等濃度500mg/L喹啉和500mg/L葡萄糖作為混合燃料時這三種類型的MFC的最大輸出電壓分別為426mV、700mV、499mV；按照陽極截面積計算的最大功率密度分別為69.9 mW/m2、105.6 mW/m2、153.7 mW/m2；按照陽極室有效體積計算的最大功率密度分別為0.31 W/m3、2.4 W/m3、22.7 W/m3。單電極、四電極上下式MFC的內阻分別為890Ω

3、和177Ω，填料型MFC的內阻為481Ω?？梢?，填料型MFC具有更高的功率密度，因此后續(xù)的相關實驗采用填料型雙室MFC進行相關實驗。
　　 填料型MFC以500mg/L喹啉和不同濃度葡萄糖為燃料時，其產電性能隨著葡萄糖濃度的降低而降低，表明葡萄糖可以減輕喹啉對產電細菌的抑制作用。周期結束時，MFC均可以實現(xiàn)對喹啉的完全去除。當葡萄糖濃度由500 mg/L降低至100mg/L時，最大輸出電壓由558 mV降低至328 mV；最大體

4、積功率密度由35 W/m3降低至12 W/m3；喹啉實現(xiàn)完全降解的時間由6 h延長至72 h。MFC閉路條件下對喹啉的降解速率高于開路厭氧條件下的喹啉降解速率約10％。喹啉作為一種有毒難降解有機物，在初始階段MFC不能以純喹啉進行產電，經過六個月與葡萄糖共基質條件下的馴化，MFC能夠以200 mg/L喹啉為單一燃料進行產電，最高輸出電壓145mV，最大體積功率密度2.7 W/m3(10.9A/m3)，最大面積功率密度16.4mW/m2(

5、12.0A/m2)。9小時內，喹啉完全去除。喹啉在MFC中的代謝途徑大致為：首先在2位發(fā)生羥基化，生成為2-羥基喹啉，然后在在偏酸性條件下吡啶環(huán)氧化開環(huán)，通過蒽醌或者苯同系物的一系列反應，最后生成苯酚，苯酚最后被完全降解為CO2。這是首次對喹啉在MFC中的降解途徑進行報道。結果表明，MFC可以以喹啉為單一燃料進行產電，同時可加快喹啉的降解速率。在以喹啉和葡萄糖共基質為燃料時，我們發(fā)現(xiàn)“共產電”現(xiàn)象，即等量喹啉和葡萄糖為混合燃料時的產電量

6、大于單一的喹啉和葡萄糖分別作為燃料時的產電量之和。
　　 從穩(wěn)定運行了210天，以200 mg/L喹啉為燃料的混合菌MFC陽極室中分離到一株產電菌株Q1，該菌株為革蘭氏陰性菌。對菌株Q1的16S rRNA進行PCR擴增并對擴增DNA測序顯示該菌株的16S rRNA序列與Pseudomonas citronellolis DSM50332T的同源性為96.9％，故該菌株最有可能為假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)。以喹啉

7、和葡萄糖為混合燃料探討產電菌株Q1的實驗中發(fā)現(xiàn)，本試驗所用濃度范圍內，增加葡萄糖濃度，菌株Q1的最高輸出電壓增大；增加喹啉濃度，菌株Q1的產電性能降低。研究表明，菌株Q1獲得的庫侖量和庫侖效率達到最高時(分別為18.65C和36.56％)，存在一個最佳喹啉與葡萄糖濃度比1∶3。根據(jù)循環(huán)伏安法(CV)的測定結果，該菌株的電子傳遞機制可能是通過自身分泌的電子傳遞介體進行。
　　 吡啶也是一種廣泛存在于焦化廢水中的難降解有機物，因此我

8、們同時選取吡啶考察其在MFC中的產電和降解特性。經過60天與葡萄糖共基質的馴化，MFC能夠以500mg/L吡啶為單一燃料進行產電，獲得的最高電壓為116mV，最大體積功率密度為1.7W/m3(14.5mA/m3)，對應的最大面積功率密度為7.5 mW/m2(64.0mA/m2)。吡啶在12小時之內利用MFC降解完畢，COD的去除率超過79％。在MFC中，經過三個月的馴化之后，單一吡啶為燃料時的吡啶降解速率比馴化之前添加葡萄糖的情況更高。

9、CV測定結果也表明，馴化的過程也是產電細菌活性增強的過程。本文首次對吡啶在MFC中的代謝途徑進行了探討，其可能的途徑為：始于C2和N直接的開環(huán)，隨后降解為戊二醛，之后被氧化為戊二酸，然后完全被微生物利用礦化為二氧化碳。
　　 通過PCR-DGGE對不同底物條件下的陽極微生物菌落分析結果表明，隨著底物的改變，陽極微生物菌落結構也在改變。與葡萄糖共基質相比，以單一喹啉為燃料時的陽極微生物優(yōu)勢菌落發(fā)生明顯改變。新增加一類菌，這類菌與P