殷建惠+刘贯一

摘 要：通过构建双室生物阴极微生物燃料电池，研究了在阴极室好氧及厌氧环境下，反应器对活性污泥中六价铬的去除效果以及过程中的产电情况。结果表明，在阴极室厌氧条件下几乎没有电压产生，对污泥中六价铬的去除效果较差。而在阴极室好氧情况下，反应器对活性污泥中的六价铬具有较好的去除效果，阴极室中溶解氧的大量存在对MFC去除活性污泥中六价铬是有很大的促进作用的。

关键词：微生物燃料电池；生物阴极；好氧阴极；厌氧阴极；六价铬； Cr6

环境中的铬主要以铬（Ⅲ）和铬（Ⅵ）的形式存在，铬的存在直接威胁着人体健康，过量的铬会使人中毒甚至致癌[1]，并且六价铬的化合物具有极强的氧化性，会直接对人体的呼吸系统、皮肤等造成伤害。经过研究者的不断探索，微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，MFC）的出现为去除城市活性污泥中的铬提供了一条新的思路。典型MFC由阳极室、阴极室、质子交换膜和外电路组成，在阳极室中产电菌通过降解其中的有机质产生质子和电子，其中电子通过外电路进入阴极室产生电流，质子则通过质子交换膜进入阴极室与电子受体结合生成水或其他物质[2-3]。

在本次实验中，通过构建双室生物阴极微生物燃料电池，利用污泥中六价铬的强氧化性，作为电子受体研究微生物燃料电池运行过程中，阳极室和阴极室在好氧和厌氧条件下分别对活性污泥中六价铬的去除效果，通过两者的比较研究阴极室中大量溶解氧的存在是否对微生物燃料电池中铬的去除具有促进作用。

1 材料和方法

1.1实验装置

本次实验采用双室生物阴极微生物燃料电池，反应器采用有机玻璃制成，整体构型为椭圆柱体，中间夹有质子交换膜，阳极室有效容积1000ml，阴极室有效容积为500ml，下方配有磁力加热搅拌器对阳极污泥进行持续搅拌。

污泥超声破碎装置采用N&DN系列超声波细胞粉碎机对实验污泥进行超声溶胞预处理。

1.2 反应器的启动

阳极室和阴极室的接种污泥均取自唐山市曹妃甸区污水处理厂二沉池污泥，在厌氧环境下保存好备用。接种时，将污泥过40目筛，去除污泥中较大颗粒物质。污泥进行超声溶胞预处理，在超声波频率为20～25KHz，声能密度为0.6W/ml，条件下进行超声破碎20min。

阴阳极室均按照1：1的比例添加营养液与污泥，营养液成分为KCl（0.13g/L）、Na2HPO4（2.75g/L）、Na H2PO4（4.22g/L）、NH4Cl（0.31g/L）。启动过程按比例添加好污泥和营养液，采用间歇进水方式，在反应器启动过程中当电压出现急剧下滑至30mv以下时视为一周期结束，每一周期完结进行换水。电压稳定在0.2V左右，表示反应器启动成功。

1.3分析方法

实验过程中COD、SCOD均采用重铬酸钾法，六价铬的测定采用二苯碳酰二肼分光光度法[4]。

实验过程中采用PISO813多路数据采集系统直接记录电压，数据按照每30分钟记录一次。

2结果与讨论

2.1 好氧生物阴极MFC去除污泥中六价铬效果及产电情况

将经过超声溶胞预处理后的污泥与营养液按照1：1的比例置于阳极室和阴极室内，对阴极室进行持续曝气，保持曝气气压稳定。电压在很短的时间内迅速增长至200MV以上，其中微生物生长活跃可以较快速的降解污泥中的有机质，随后经过1天的时间增长至500MV左右并趋于稳定，此时反应器中微生物的生长代谢处于相对稳定的状态，直至第6天左右电压有所下降最后降至400MV左右。

与此同时，阳极室和阴极室中铬变化情况如图3所示，阳极室和阴极室中六价铬均呈现先增长后下降的趋势，在最初的3天反应中可能由于微生物的降解作用，使得污泥絮体被破坏，细胞体中一部分重金属铬被释放出来从而导致反应器中铬浓度的增长。阳极室最高增长至400 ug/L以上，阴极室六价铬最高增长至300 ug/L左右，第3天以后反应器中六价铬含量迅速下降，此时由于电极对六价铬的吸附作用以及六价铬做为电子受体的部分大于从污泥絮体中释放的部分，所以铬浓度出现下降现象，最后下降至50 ug/L以下。

2.2 厌氧生物阴极MFC去除污泥中六价铬效果及产电情况

将经过超声溶胞预处理后的污泥与营养液按照1：1的比例置于阳极室和阴极室内，关闭曝气泵，反应过程中9天内电压始终为0。

在阴极室厌氧反应过程中，阳极室和阴极室六价铬含量变化情况如图5所示，在第1至3天过程中六价铬含量均出现下降现象，可能由于此时阴极室中作为电子受体的氧气不足，污泥中的六价铬可以直接作为电子受体被利用从而下降，而此后反应器中由于微生物降解作用释放处出的六價铬远远大于被利用的六价铬，因此阳极室和阴极室中六价铬含量出现上升现象，由于阳极室原本处于厌氧状态，而阴极室由好氧状态突然转换为厌氧环境，因此阳极室中微生物的生长代谢活动相比阴极室比较活跃，对污泥絮体的水解作用相对比较大，释放出的六价铬含量更多。此后反应器中六价铬由于电极的媳妇作用以及作为电子受体被利用的速度大于从污泥絮体中释放的速度，因此阳极室和阴极室六价铬含量均出现下降现象。

3结论

（1）厌氧生物阴极MFC，在阴极室不加入任何可以作为电子受体的物质时，MFC几乎不出现电压，证明MFC不可以正常运行 ，阳极室由原来的121.4ug/L变化为129.7ug/L，变化不大，阴极室对六价铬虽然有所去除，但是去除效果不佳，由原来的121.4ug/L降至58.7ug/L，去除率为51.65%。

（2）好氧生物阴极MFC，在对阴极室进行持续抱起的情况下，反应器运行情况良好，电压最高可稳定在500MV左右。同时，阳极室和阴极室对六价铬均有明显去除，阳极室中六价铬由原来的121.4ug/L降至40ug/L，去除率为67.05%，阴极室中六价铬由原来的121.4ug/L降至12.9ug/L，去除率达到了89.37%。

（3）通过（1）和（2）的对比，发现阴极室溶解氧的存在对反应中六价铬的去除具有很大程度的促进作用。

参考文献：

[1] 杨方.微生物燃料电池在多孔介质中处理重金属铬废水的研究[D].合肥工业大学，2013.

[2] 冯玉杰，王鑫.微生物燃料电池[M].化学工业出版社，2009： 1 - 3.

[3] 杨捷.微生物燃料电池驱动的电吸附技术处理有毒有害废水的研究[D].南开大学，2014

[4] 国家环保局编水和废水监测分析方法[M].第四版.北京：中国环境科学出版社，2002，102-109.