佟伟，张少君，王明雨

山东交通学院 航运学院，山东 威海 264310

0 引言

船舶舱底水由机舱内各种阀件和管路中漏出的水、轮机在运转过程中漏出的润滑油、主副机燃料油以及加油时的溢出油、机械及机舱防滑铁板洗刷时产生的油污水等混合而成。船舶每年的舱底水一般为船总吨位的10%，体积质量约为5000 mg/L。舱底水成分特别复杂，若因各种泄漏事故进入海洋，会对海洋生态造成巨大危害。用物理方法较难处理舱底水，需要消耗大量的电能，因此急需开发高效、无二次污染的处置方法［1-2］。

微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）是指利用阳极室内的产电微生物，把有机物的化学能转化为电能［3］，在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放电子和质子。采用适当的电子传递介体，电子在生物组分及MFC阳极间高效传递，经MFC外电路传递到MFC阴极形成电流。质子经MFC阳极室和阴极室间的质子膜传递到阴极，阴极的氧化剂电子被还原，同时质子被还原，氧气与质子结合成水［4］。MFC既可以将含油污水中的有机污染物转化成水，不产生二次污染，又可以将化学能转化为电能，在近几年得到快速发展［5-7］。作为产电微生物的载体，MFC阳极影响微生物的附着以及微生物向电极传递电子［8］。石墨纸、碳布、碳毡等碳基材料是MFC中常用的电极材料，它们不仅耐腐蚀、成本低、易加工、导电，还能够被微生物附着［9-10］。但普通碳基材料的电化学性能在众多导电材料中并不突出，甚至制约MFC输出电能的能力［11］。因此，改变阳极的材料及结构是改善MFC性能的有效途径［12］。

生物炭是一种新型阳极材料，吸附性能和生物相容性良好，比表面积大，孔隙率高，可促进电子传递，有效增加阳极表面微生物的附着量，提高MFC的产电量［13-16］。光合细菌自身无毒，降解有机物能力强，是最有发展前景的产电菌之一［17］。19世纪60年代，学者采用光合细菌处理有机废水［18］。毛雪慧等［19］发现固定化的光合细菌（包括假单胞菌）对电镀废水中重金属的去除率高达74.95%。沼泽红假单胞菌（rhodop seudanonas palustris）依靠光照新陈代谢降解有机废水［20］，广泛应用于渔牧业、医药等领域。本文采用沼泽红假单胞菌处理含油污水，用生物炭代替传统碳基材料作为阳极，以期提高含油污水的降解率和化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）去除率。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与仪器

MFC微生物燃料电池盒、质子膜、碳布、接触角测量仪、DAQM4206I数据采集卡、CS350H电化学工作站、鲁花25花生壳。

1.2 试验方法

1.2.1 生物炭阳极的制备

用水清洗花生壳，清除表面杂质，在80℃烘箱干燥2 h。待马弗炉升温至400℃时，放入干燥后的花生壳炭化15 min，冷却至室温，得到生物炭阳极。经验证不同产地的花生壳制备的生物炭阳极性能无明显差异。

1.2.2 沼泽红假单胞菌的培养

将试验室保存的沼泽红假单胞菌在无杂菌的条件下转接5次，将沼泽红假单胞菌按20%的体积分数接入100mL培养基（PH=7）中，在36℃、2000 lx光照条件下培养48 h，得到生长和繁殖良好的沼泽红假单胞菌。

1.2.3 MFC装置的组装及启动

MFC工作原理如图1所示，MFC装置由阳极室和阴极室构成，两者间用质子膜分隔。在阳极室中采用生物炭作为阳极，MFC装置阳极室的阳极液为沼泽红假单胞菌菌液，包括质量浓度分别为1.0、0.5、3.0 g/L的 NH4Cl、K2HPO4、NaHCO3的溶液，质量浓度为80μmol/L的中性红和柴油及2 g酵母膏。阴极室中采用碳布作为阴极，阴极液为30 mmol/L K3［Fe（CN）6］溶液。 2 块电极由导线引出并外接电阻，形成完整电路，密封阳极室并保持厌氧环境，阴极室连续曝气以保持溶解氧浓度，两室中间夹有质子交换膜。通过自发电化学反应启动电池。

1.2.4 微生物燃料对船舶乳化油的降解率

1）绘制乳化油标准曲线

用石油醚萃取乳化油培养基并稀释到适宜浓度，使用紫外分光光度计UV-1800进行全波长扫描，确定最佳吸收波长。配制质量浓度为0、5、10、15、20、30、40 mg·L-1的乳化油标样系列溶液，在最佳波长下读取吸光值，绘制标准曲线。

2）测定乳化油降解率

将体积分数为2%的沼泽红假单胞菌接种到微生物燃料电池阳极室中，在37℃、180 r/min条件下，摇床培养7 d。以未接入菌株的空白乳化油培养基为对照组。设置发酵液离心温度为4℃，以9000 r/min的速度离心15min；取20mL石油醚萃取离心后上清液，超声波振荡10min后静置分层，回收

图1 MFC装置原理示意图

式中：C1为对照组中的乳化油浓度，C2为样品中乳化油浓度。

1.2.5 微生物燃料电池对乳化油COD的去除率

参照文献［21］测定化学需氧量，在强酸性溶液中，精确添加过量的K2Cr2O7标准溶液，利用加热装置和冷凝管完成消解过程，实现MFC阳极室船舶舱底水中的还原性待测物氧化，以C12H8N2为指示剂测定过量K2Cr2O7，用（NH4）2Fe（SO4）2标准溶液回滴，依据所耗费的K2Cr2O7标准溶液量换算COD。利用重铬酸钾法快速完成COD的测定。上层有机相，经无水硫酸钠脱水后，加入50 mL容量瓶中，定容后保存待测。根据绘制的标准曲线，计算样品中残余油的浓度。其降解率

2 结果与讨论

2.1 阳极材料结构表征

2.1.1 结构表征

图2为阳极材料及沼泽红假单胞菌的扫描电镜（scanning electronic microscopy，SEM）图。沼泽红假单胞菌为杆状菌，3种阳极材料与产电菌均有生物容性。生物炭阳极表面的沼泽红假单胞菌数量最多，分布范围更广，说明生物炭阳极的生物相容性及吸附性能更好，可有效增加阳极表面微生物的数量。

图2 阳极材料负载微生物SEM图

2.1.2 表面润湿性分析

接触角用于表征电极表面的润湿性及亲水性，通过水滴试验测接触角（在电极完全干燥的情况下），不同阳极材料的接触角测定如图3所示，接触角越小，材料的亲水能力越好。生物炭电极的接触角θ为11°，石墨毡（graphite felt，GF）电极的接触角为 98°，碳布（carbon cloth，CC）电极的接触角为 127°，表明生物炭的表面润湿性和亲水性最佳。生物炭阳极材料中存在大量亲水性-OH，羟基与所带产电菌负电荷间相互作用较强，使产电菌大量附着。生物炭阳极材料的亲水官能团与产电菌间存在的静电相互作用和范德华力均有利于产电菌附着，且更易得到营养物质使其加快生长繁殖，为提高MFC的产电性能提供可行性。

图3 不同阳极材料接触角的测定

2.2 对船舶乳化油的降解率

2.2.1 乳化油的紫外吸收标准曲线

全波长扫描溶有石油烃的石油醚样品，因波长为256 nm时有明显的吸收峰，故取256 nm为测试波长。以样品体积浓度为x轴，对应吸光度为y轴，拟合标准曲线，拟合方程为：y=0.002 0x+0.001，线性相关系数R2=0.999 38，拟合度较高，适用于分析测试油污的浓度。

2.2.2 降解率的计算

通过紫外分光光度计及乳化油标准曲线拟合方程，计算沼泽红假单胞菌发酵7 d后的MFC装置中的残油，分别测定3种不同阳极材料对船舶乳化油的降解率，每组试验设置3个平行组。计算得到阳极材料分别为生物炭、石墨毡、碳布的 MFC装置对船舶乳化油的7 d降解率分别为85.20%、70.25%、68.00%。装生物炭阳极MFC装置的降解率是石墨毡、碳布阳极的1.21和1.25倍。3个MFC装置总体设计完全一致，只有阳极材料不同，证明生物炭具有良好的吸附能力，可有效增加阳极表面微生物的数量，提高MFC对船舶乳化油的生物降解效果。

2.3 对船舶乳化油的COD去除率

COD是衡量水质状况的一个重要指标，COD越高，水中有机污染物越多，污染越严重。本研究利用重铬酸钾法测定MFC装置对船舶乳化油的COD去除率，每组试验设置3个平行组。如图4所示，装载生物炭阳极的MFC对船舶乳化油的COD去除率为79.89%，装载石墨毡、碳布阳极的COD去除率分别为62.16%、60.37%，证明生物炭阳极具有更好的吸附性能以及生物相容性，可以有效增加阳极表面微生物的数量，提高MFC对船舶乳化油COD的去除效果。

图4 不同阳极的MFC装置对船舶乳化油的COD去除率

2.4 对船舶乳化油的降解分析

萃取样品降解后，MFC装置中的残油用氮吹仪浓缩、二氯甲烷重新定容，进样前用孔径为0.45μm的有机滤膜过滤，利用气相色谱-质谱联用仪（gas chromatograph-mass spectrometer，GC/MS）分析组分，以空白碳源培养基为对照，分析菌群对石油烃各组分的降解能力。GC/MS分析残油降解前的结果，如图5所示，样品中正构烷烃质量分数为82.63%，环烷烃为17.14%，多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbon，PAH）为0.23%。利用气相色谱-氢火焰离子化检测器（gas chromatography-hydrogen flame ionization detector，GC-HFID）检测MFC装置残油各组分降解后的效果，如图6所示。经计算可知：降解24 h后，69.24%以上的正构烷烃被降解；生物降解48 h后，86%以上的正构烷烃被降解。因此MFC装置对船舶乳化油的降解效果显著，可用于处理石油烃污染。

图5 船舶乳化油全烃分析GC/MS色谱图

图6 MFC装置对船舶乳化油降解GC/MS分析图

2.5 不同阳极MFC的输出电压

装配CC阳极、GF阳极、生物炭阳极的MFC在1000Ω的负载下运行，其输出电压性能对比见表1。三者最大输出电压依次为420、450、490 mV，生物炭阳极的 MFC最大输出电压高出传统 GF、CC阳极 8.89%和16.67%。3种材料MFC输出电压稳定时间和运行时间依次为生物炭阳极＞GF阳极＞CC阳极。通常输出电压的稳定时间和运行时间与阳极上微生物负载数量有关，相比于传统的CC、GF阳极，生物炭阳极的MFC输出电压稳定时间和运行时间更长，表明生物炭吸附性能好，表面积大，孔隙率高，阳极上微生物数量增加。3种MFC的电解液、电子受体、供体及结构相同，三者不同的输出电压主要受内阻影响，使用生物炭阳极的MFC输出电压较高，表明具有较低的内阻以及良好的生物相容性，可提高电子传递能力。

表1 1000Ω负载下不同阳极MFC的输出性能

3 结论

1）利用高温将花生壳炭化成生物炭，得到一种新型阳极材料，SEM图像显示生物炭阳极可有效增加阳极表面微生物的数量，具有良好的生物相容性和吸附性能，能明显提高MFC对船舶乳化油的降解效果。

2）装载生物炭阳极的MFC对船舶乳化油的降解率为85.20%，装载传统石墨毡、碳布阳极的MFC对船舶乳化油的降解率为70.25%和68.00%。装载生物炭阳极的MFC对船舶乳化油的COD去除率为79.89%，装载传统石墨毡、碳布阳极的微生物燃料电池对船舶乳化油的 COD去除率为62.16%和60.37%。

3）MFC技术对石油污染环境具有良好的修复潜力和应用前景，相较于传统的石墨毡、碳布阳极，生物炭阳极具有更好的吸附性能及生物相容性，能有效增加阳极表面微生物的数量，显著提高MFC对船舶乳化油的降解效率以及对COD的去除率。