重金属对沉积型微生物燃料电池运行特性的影响

王竹青

摘 要：沉积型微生物燃料电池是一种由上方悬于好氧水体（阴极）及下方埋于厌氧底泥（阳极）构成的集产电、去除污染物于一体的新技术，其具有结构独特、构建成本低、无需质子交换膜等优势，常被用于海洋、湖泊、河流底泥原位修复中，不仅能有效将底泥中污染物去除，同时还能促进整体水质得到显著改善。然而，受我国近年来重金属污染日益严重的影响，导致沉积型微生物燃料电池体系中重金属含量显著增加，从而导致体系运行特性也发生了一定的改变。沉积型微生物燃料电池中的微量重金属元素包含铁、铜、锌、钴、镍等多种，本文主要以铜元素为例，探究了铜对沉积型微生物燃料电池运行特性的影响。

关键词：铜;沉积型微生物燃料电池;运行特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.070

沉積型微生物燃料电池主要由上方悬于好氧水体的阴极及下方埋于厌氧底泥的阳极构成，常被应用于河湖底泥固体废弃物处理和原位生态修复。然而，随着我国重工业发展所致的底泥重金属污染日益严重，对沉积型微生物燃料电池应用造成了极大的制约，就如河湖底泥中最常见的重金属元素之一铜，其会对抑制微生物呼吸作用，从而会对沉积型微生物燃料电池的运行特性产生一定的影响，本文主要以实验方案，探寻和分析了铜对沉积型微生物燃料电池运行体系输出电压和污染物去除等的影响，现报告如下。

1 材料和方法

（1）实验材料。紫外可见分光光度计、火焰原子吸收分光光度计、高速冷冻离心机、石墨消解仪、水浴恒温振荡器。

（2）实验方法。建立一个高22cm、直径为15cm、有效容积为2.5L的玻璃容器作为沉积型微生物燃料电池装置，阳、阴极均为圆形石墨毡，间距为7.0cm，经钛丝将阳、阴极与500Ω外电路相连，每隔1h用采集器对电压值记录一次，用1mol/LHCl 溶液浸泡新电极1h后，用去离子水浸泡冲洗，使残留HCl去除，再用1mol/LNaOH溶液浸泡新电极1h，并用去离子水浸泡冲洗后烘干备用。然后，启动4组上述装置，与实验室处理生活污水的膜生物反应器剩余污泥进行接种，阴极电解液为1.0g/LKCl，阳极营养液为0.3 g/LNH4Cl、1.0 g/L葡萄糖、5.0mL/L维生素液及12.5mL/L微量元素液，当输出电压<50mV时，倒掉混合液，更换新的电解液和接种污泥，使其在室温下进行序批式运行。

（3）观察指标。铜对沉积型微生物燃料电池体系运行输出电压、COD去除率、胞外聚合物（EPS）相关指标的影响，采用国家标准方法测定COD去除率，EPS提取测定方法为：取一定量的阳极污泥，采用热提取法提取结合性EPS（BEPS），用离心过滤法提取溶解性EPS（SMP），用苯酚-硫酸法测定多糖含量，用考马斯亮蓝法测定蛋白质含量，多糖与蛋白质含量之和为EPS总量。

2 结果

（1）对输出电压的影响。从启动4组微生物燃料电池装置到体系稳定共运行7个周期，通过观察体系稳定运行时输出电压图可知，各实验组输出电压无明显差异，其中，铜浓度为3000mg/kg组的峰电压值最低，为（223.4±0.7）mV，铜浓度为800mg/kg组的峰电压值最高，为（262.5±4.3）mV，说明铜对沉积型微生物燃料电池运行时的产电量无明显影响，与牟姝君[1]研究报告中得出的结论一致。产生这一现象的原因之一可能为铜同时对沉积型微生物燃料电池阳极和阴极产生作用，从而使体系输出电压无明显差异，另外，大部分铜在该体系中以有机物或沉淀物形式存在，从而使其生物有效性降低，进而导致其对体系输出电压影响不大。

（2）对COD去除率的影响。沉积型微生物燃料电池体系中的COD去除主要由两部分组成，一是由溶解态转化为结合态，与体系中的铜吸附络合，二是被阳极微生物分解代谢，通过实验可知，不同铜浓度时，COD去除率不尽相同，铜浓度为0、50、200、500、800、1000、1500、3000mg/kg时，COD去除率分别为41.1%、42.6%、46.2%、54.5%、57.8%、45.2%、48.3%、52.6%。可见，铜浓度为50mg/kg时，COD去除率最低，铜浓度为800mg/kg时，COD去除率最高。

（3）对蛋白/多糖、EPS总量的影响。EPS广泛分布在沉积型微生物燃料电池表面，是由微生物分泌的用于相互粘附或自我保护的高分子聚合物，对重金属吸附、污泥沉降、脱水及絮凝均有重要作用。蛋白、多糖均是EPS的主要组成成分，实验结果显示，与铜浓度为0mg/kg时相比，其他各浓度状态下，体系中的蛋白/多糖值均有一定降低，说明在铜元素的影响下，会导致沉积型微生物燃料电池分泌更多多糖对外界环境变化进行抵抗。另外，研究已证实，酶活性与EPS的产生具有密切关联，而维持酶活性的关键物质为金属离子，因此，铜离子也势必会对体系运行过程中的EPS含量产生一定影响。本次实验通过观察4组装置周期前后的EPS总量变化可知，当铜浓度低于800mg/kg时，随着铜浓度增加，EPS总量会逐渐增加，当铜浓度超过800mg/kg时，随着铜浓度增加，EPS总量会逐渐减少，说明在一定铜浓度范围内，铜可刺激微生物燃料电池分泌更多的EPS，而一旦铜浓度超标，大于电池耐受限度时，便会对微生物的活性产生抑制和对其产生毒害作用，从而降低分泌的EPS含量[2]。

3 结论

铜是微生物生长所必需的微量元素，虽然，适量的铜元素能参与微生物铁吸收、呼吸等代谢过程和去除其污染物，但是，铜元素过量或浓度过高，则会对微生物的呼吸作用产生一定的抑制，从而影响其体系运行性能。本文通过相关研究证实了铜对沉积型微生物燃料电池体系的输出电压无显著影响，对COD去除率、蛋白/多糖和EPS总量等EPS指标具有显著的影响，说明在标准浓度范围内，铜可维持微生物燃料电池运行性能良好，一旦浓度超标（大于电池耐受限度），便会改变微生物的有效性和抑制其活性，从而降低其运行性能。

参考文献：

[1]赵亚楠，李秀芬，任月萍等.阳极添加三价铁离子对沉积型微生物燃料电池运行特性的影响[J].环境工程学报，2015，9（12）：6073-6077.

[2]李秀芬.铜对沉积型微生物燃料电池运行特性的影响[A].中国环境科学学会.2015年中国环境科学学会学术年会论文集[C].中国环境科学学会：中国环境科学学会，2015：8.

[3]游晓伟.菲对沉积型微生物燃料电池运行特性的影响研究[D].江南大学，2014.

[4]朱荣，任月萍，李秀芬等.外阻对天然水体中沉积型微生物燃料电池（SMFC）运行特性的影响[J].环境化学，2014，33（05）：794-798.

[5]牟姝君.铜对沉积型微生物燃料电池运行特性的影响研究[D].江南大学，2014.

[6]潘丹云.阴极修饰对沉积型微生物燃料电池运行特性的影响研究[D].江南大学，2013.

[7]唐璐，吴瑾妤，李秀芬等.阳极初始pH值对沉积型微生物燃料电池运行特性的影响[J].环境化学，2010，29（04）：696-699.