2017, Vol. 38
偶氮染料 (azo dye) 是分子中具有一个或多个偶氮键 (—N=N—) 的芳香类化合物，使用广泛，具有生物毒性和致癌性.含偶氮染料的废水不但具有染料废水的普遍特点，更因其化学性质稳定、废水成分复杂，被公认为难治理的高浓度有机废水[1].目前普遍采用生物方法处理偶氮染料废水，偶氮染料首先在厌氧微生物偶氮还原酶的作用下，偶氮键得电子被还原成胺基基团，然后在好氧条件下进一步氧化分解，最终实现偶氮染料的降解[2].
微生物燃料电池 (microbial fuel cell, MFC) 是利用微生物作为催化剂，氧化分解有机物将化学能转化为电能的装置，近年来MFC作为一种新型的污水生物处理技术正受到来自各界的广泛关注和研究[3, 4].人工湿地 (constructed wetland, CW) 利用物理、化学和生物的三重协同作用，实现了废水的无害化和资源化，被广泛应用于污水处理和环境改善等方面[5~7].人工湿地具有比表面积大、底部厌氧表层好氧的特点，这与微生物燃料电池阳极厌氧阴极好氧的环境相似，因此可以将两者耦合构建人工湿地型微生物燃料电池 (CW-MFC)[8~10].目前关于CW-MFC系统的研究还处于实验室研究阶段，其装置规模也千差万别.CW-MFC系统在生物降解和电化学催化的双重作用下，COD及氮磷去除率显著增加，改善了难降解废水的净化效果，同时产生了一定的输出电压[11~13].CW-MFC系统的净化和产电性能主要受到装置构型 (如植物、微生物、基质、电极等) 和运行条件 (如水力停留时间、有机负荷、共基质等) 两方面因素的影响[14, 15].赵钢等[16]研究发现砾石具有良好的生物附着性，对COD和氮磷的去除发挥重要作用，将其作为人工湿地基质层填料具有广泛可行性.Heijne等[17]发现阴极电子消耗速率与阳极电子产生速率不符是限制MFC性能的主要因素.Jiang等[18]采用铂作为阴极催化剂用于提高O2反应速率，但成本太高.生物降解与电化学催化在CW-MFC系统中共同作用，研究发现偶氮染料在通路CW-MFC系统中的去除率比在断路CW-MFC系统中的去除率平均提高了10%左右，说明电化学催化对微生物降解偶氮染料具有重要的促进作用[19, 20].
目前的研究局限于从人工湿地或者微生物燃料电池的单一角度进行性能优化研究，对于两者耦合的CW-MFC系统的整体研究较为缺乏.底部湿地基质层通过一些物理、化学和生物的途径去除污染物，填料的材质主要决定了吸附性和生物附着性，填料的粒径和孔隙率决定了微生物生物量，进而影响底部基质层对污染物的处理效果[21].阴极作为电子质子和氧气反应的场所，其面积大小对于MFC的整体性能具有重要影响[22].本研究结合CW和MFC两个方向立足于CW-MFC系统的构型对偶氮染料降解及产电的影响，从湿地基质和阴极面积两个方面具体探究其影响效果，分析其影响机制，建立最佳的系统构型.
1 材料与方法 1.1 试验装置本研究采用潜流式人工湿地型微生物燃料电池系统.CW-MFC系统由有机玻璃制成内径为19 cm、总高33.3 cm的圆筒，沿筒身方向设有10个间距为3.3 cm的取样口，沿筒身从上往下依次为阴极层、中间层、阳极层和底层，如图 1所示.中间层和底层由砂砾填充，厚度均为13.2 cm.阳极层 (厚度6.6 cm) 和阴极层 (厚度3.3 cm) 由活性炭颗粒 (直径5 mm，比表面积500~900 m2·g-1，填充密度0.45~0.55g·cm-3) 和不锈钢丝网构成，不锈钢丝网埋在电极层中部用以增强电子的传递.CW-MFC电极由钛导线 (直径1 mm) 向外接出，外电路由铜导线连接，外阻1 000 Ω.
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图 1 CW-MFC系统结构示意 Fig. 1 Structure of CW-MFC |
本研究对阳极层活性炭进行接种，接种源取自南京某市政污水处理厂的浓缩厌氧污泥.取回的污泥需要先在实验室进行两周的厌氧培养.待培养完毕，先用去离子水将污泥洗涤3次去除残留的COD，然后通过直径0.25 mm的不锈钢滤网以去除大颗粒杂质.最后用于接种的污泥浓度MLSS为16 g·L-1，按照每升阳极体积1.14 L的浓缩污泥量进行接种，用于系统挂膜.
本研究进水为人工模拟偶氮染料废水，选用活性艳红X-3B作为偶氮染料，葡萄糖作为共基质.使用蠕动泵从装置底部进水，设置水力停留时间为3 d.具体进水组成如表 1所示.
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表 1 CW-MFC系统进水成分 Table 1 Composition of synthetic wastewater in CW-MFC |
1.3 试验方法
为了研究不同构型对CW-MFC系统去除X-3B的影响，本研究主要分为两个部分进行.
第一部分研究不同粒径的湿地基质对CW-MFC系统去除X-3B和产电的影响.采用3种粒径不同的石子分别作为3个CW-MFC系统的湿地基质填充于底层和中间层.大石子、中石子和小石子简称为基质S1、S2、S3，其粒径和孔隙率见表 2.
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表 2 不同基质的粒径及孔隙率1) Table 2 Size and porosity of different support matrix |
第二部分研究不同阴极面积对CW-MFC系统去除X-3B和产电的影响.设置4个阴极直径不同的CW-MFC系统，阴极直径分别为20、25、27.5和30 cm，对应的阴极面积分别为314、490、594和706 cm2，其与阳极面积的比值分别为1倍、1.6倍、1.9倍和2.25倍，分别记作实验组A、B、C、D.
1.4 分析与计算活性艳红X-3B的浓度采用可见紫外分光光度计进行测定，并按照式 (1) 计算脱色率.
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(1) |
式中，cX-3B, in、cX-3B, out分别表示进水X-3B浓度、出水X-3B浓度，单位均为mg·L-1.
COD按照重铬酸钾法测定，并按照式 (2) 计算COD去除率.
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(2) |
式中，cCOD, in、cCOD, out分别表示进水COD浓度、出水COD浓度，单位均为mg·L-1.
系统电压由数字采集模块 (DAM-3057) 每10 min采集并记录一次.通过测定不同外阻下的电压值获得极化曲线，并根据式 (3) 求出功率密度后制作功率密度曲线图计算CW-MFC系统内阻.
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(3) |
式中，P表示功率密度，W·m-3；U表示电压，V；I表示电流，A；V表示阳极有效工作体积，m3.
系统内细菌种类结构和数量采用原子荧光原位杂交技术 (FISH法) 进行测定[20].
2 结果与讨论 2.1 湿地基质对CW-MFC系统去除X-3B的影响图 2表示了3种湿地基质构建的CW-MFC系统中X-3B的脱色情况.从中可以看出出水X-3B脱色率最好的是以S3为湿地基质的CW-MFC系统，以S2为湿地基质的CW-MFC系统次之，最差的是以S1为湿地基质的CW-MFC系统，其脱色率分别为92.70%、81.49%和75.11%(P=0.007 3).分别比较各层X-3B脱色率，在底部湿地基质层，以S3为湿地基质的CW-MFC脱色率最高，达54.61%；以S2和S1为湿地基质的CW-MFC脱色率较低，分别为16.83%和14.37%.在阳极层X-3B的脱色效果呈现相反的现象，以S2和S1为基质的CW-MFC的X-3B脱色率较高，分别为64.66%和60.38%；而以S3为基质的CW-MFC在该层的X-3B脱色最低，仅为38.09%.
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图 2 不同湿地基质CW-MFC系统中X-3B在各层的脱色率 Fig. 2 Decolorization rate of X-3B in CW-MFC with >different support matrix |
图 3为3种湿地基质构建的CW-MFC系统中葡萄糖的消耗情况.可以看出，在底部湿地基质层，CW-MFC系统葡萄糖消耗率从高到低依次为以S3、S2和S1为基质的CW-MFC，分别为45.83%、31.02%和27.11%(P=0.009 3).在阳极层，以S3为基质的CW-MFC葡萄糖消耗率最低，为41.89%；而以S2和S1为基质的CW-MFC在该层消耗的葡萄糖消耗率递增，分别为55.03%和56.19%.
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图 3 不同湿地基质CW-MFC系统中葡萄糖在各层的消耗率 Fig. 3 Consumption rate of glucose in CW-MFC with different support matrix |
表 3为不同CW-MFC系统中湿地基质层的微生物分布情况.从中可知，不同粒径和孔隙率的湿地基质对CW-MFC系统内微生物生物量有较大影响.在底部湿地基质层，以S3为湿地基质的CW-MFC系统中VSS和细菌密度最高，分别为0.453 g·L-1和2.931×108个·g-1；以S2为湿地基质的CW-MFC次之，分别为0.177 g·L-1和1.465×108个·g-1；以S1为湿地基质的CW-MFC最低，分别为0.068 g·L-1和0.870×108个·g-1.CW-MFC系统中间基质层的VSS和细菌密度与底部基质层具有相同的趋势，且微生物生物量均低于底部湿地基质层.
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表 3 不同湿地基质CW-MFC系统中微生物在各层的分布 Table 3 Distribution of microbes in CW-MFC with different support matrix |
根据以上试验结果可以得出结论，相同材质的湿地基质具有相同的生物兼容性，但粒径和孔隙率的不同会导致湿地基质填料层具有不同的比表面积和渗透系数[23]，从而影响CW-MFC系统中微生物生物量.较大的比表面积为微生物的附着生长提供了有利的场所，极大地丰富了微生物生物量.微生物生物量越大，其生长所需要消耗的葡萄糖就越多，作为共基质的葡萄糖被大量消耗有助于X-3B的去除[24, 25].在该试验组中，具有最大的比表面积的是S3基质，S2基质次之，最小的是S3基质.因此以S3为湿地基质的CW-MFC在底层X-3B脱色率为54.61%，最终出水X-3B脱色率达到了92.70%.而以S2和S1为基质的CW-MFC在阳极层X-3B脱色率虽较高，但由于底部湿地基质层的微生物量较少，底层的X-3B脱色率较小，最终出水X-3B脱色率仍较小.由此可见，选取比表面积大的填料作为湿地基质，会促进底部湿地基质层对难降解有机物的去除，最终提高CW-MFC系统对难降解有机物的去除效率.
2.2 湿地基质对CW-MFC系统产电性能的影响图 4为3种湿地基质构建的CW-MFC系统的极化曲线和功率密度曲线，从中可以看出，功率密度最大的是以S1为基质的CW-MFC，当电流密度为0.717 A·m-3时取得Pmax=0.256 W·m-3；其次是以S2为基质的CW-MFC，当电流密度为0.627 A·m-3时取得Pmax=0.196 W·m-3；以S3为基质的CW-MFC的功率密度最低，当电流密度为0.434 A·m-3时取得Pmax=0.117 W·m-3(P=0.000 4).
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图 4 不同湿地基质CW-MFC系统的极化曲线和功率密度曲线 Fig. 4 Polarization and power density curves of CW-MFC with different support matrix |
图 5为3种湿地基质构建的CW-MFC系统内阻分布情况.从中可以看出，湿地基质对CW-MFC系统的内阻产生了显著的影响，以S3为基质的CW-MFC总内阻最高，为1 471.20 Ω；以S2为基质的CW-MFC次之，为738.88 Ω；以S1为基质的CW-MFC总内阻最低，为601.80 Ω(P＜0.01).由于三者欧姆内阻差别不大 (P=0.211 7)，且只占总内阻的小部分，所以总内阻的差别主要是由于活化内阻和传质内阻导致的.一方面，活化内阻来自于电极反应.从图 6可以看出，阴极的极化现象较阳极更为严重，对活化内阻有较大的影响.以S3为基质的CW-MFC系统，底部湿地基质层和中间基质层的微生物生物量高，导致了葡萄糖的大量消耗，进入阴极的葡萄糖所剩无几，浓度仅为3.89 mg·L-1，阴极微生物生长缺乏营养物质，阴极微生物生物量低，反应速率低，造成了活化内阻增高.而在以S2和S1为基质的CW-MFC中，随着基质的比表面积的下降，基质中微生物生物量降低，进入阴极的葡萄糖量增加，活化内阻减小；另一方面，传质内阻是由于反应物或者反应产物向电极表面或向溶液内部扩散速度低引起的[4, 26].随着湿地基质的孔隙率变大，有效地降低了质子和离子的传质阻力，同时有利于底物和生成物的流动传质，能够显著降低CW-MFC系统的内阻，提高产电性能.
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图 5 不同湿地基质CW-MFC系统的内阻分布 Fig. 5 Distribution of internal resistance of CW-MFC with different support matrix |
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图 6 不同湿地基质CW-MFC系统的阴阳极极化曲线 Fig. 6 Polarization curves of electrodes in CW-MFC with different support matrix |
根据上述试验结果得出，湿地基质的粒径和孔隙率对CW-MFC系统生物产电性能具有很大影响，产生这些影响的原因主要可以分为以下两部分.一方面，湿地基质比表面积越大，其微生物生物量越大，所消耗的葡萄糖越多，导致进入阳极层的葡萄糖量较少，当阳极产电菌得不到充足的营养物质时，产电性能下降.当阴极营养物质不足时，限制了阴极微生物的生长，导致阴极反应速率下降，极化严重，产电下降.另一方面，湿地基质的粒径和孔隙率增大，有利于质子和离子向阴极的传递，降低了系统的传质阻力，并加快了阴极的反应速率，提高了CW-MFC的产电性能.
2.3 阴极面积对CW-MFC系统产电性能的影响图 7为不同阴极面积CW-MFC系统的电流密度曲线.在起始阶段，因为各CW-MFC阳极采用的是相同的接种污泥，所以初始电流密度接近.随着时间的推移，试验组A的电流密度呈现出先下降后稳定的趋势；而试验组B、C、D中电流密度都呈现出先上升后稳定的趋势，且阴极面积越大，系统得到的稳定电流密度越高.
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图 7 不同阴极面积CW-MFC系统的电流密度 Fig. 7 Current density of CW-MFC with different cathode areas |
图 8为不同阴极面积CW-MFC的极化曲线和功率密度曲线，从中可以看出增加阴极面积对于CW-MFC的功率密度有巨大影响.在一定范围内增加阴极面积，功率密度不断增长，但增长幅度会逐渐趋缓.说明当阴极面积增长到一定程度后，其已不是提高产电性能的主要控制因素，继续通过提高阴极面积来增加产电意义不大.
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图 8 不同阴极面积CW-MFC系统的极化曲线 Fig. 8 Polarization curves of CW-MFC with different cathode areas |
图 9为不同阴极面积的CW-MFC的阴阳极极化情况.从中可以看出在试验组A中，阴极的极化现象严重，当改变外阻从105~5 Ω时，阴极电势从282 mV下降至-220 mV；随着阴极面积的增加，试验组B、C、D中阴极的极化得到显著改善，尤其是试验组D中阴极基本无极化现象，电势高，性能好.阳极极化呈现出与阴极相反的趋势，随着阴极面积的增大，阳极极化现象更为严重.
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图 9 不同阴极面积CW-MFC系统的电极极化曲线 Fig. 9 Polarization curves of CW-MFC with different cathode areas |
从上述试验结果可以看出，随着阴极面积的增大，CW-MFC产电性能提高主要是两方面的原因.一方面阴极面积增加，阴极反应速率增大，加速了阴极电子、质子与氧气的反应，促进了阳极的质子向阴极传递，有效地降低了质子和离子的传质阻力；另一方面，阴极面积的增加促进了质子的传递，阳极质子积累的情况得到缓解，利于阳极产电菌生长.当阴极面积增加到一定程度后，产电性能提高幅度趋于平缓，主要是电子传递不断加快，阳极的反应相对于电子的传递速率过慢，导致电子缺失，阳极成为限制CW-MFC产电性能的主要因素.
2.4 阴极面积对CW-MFC系统去除X-3B的影响图 10为不同阴极面积的CW-MFC系统去除X-3B的情况.从中可以看出，随着阴极面积的增加，出水X-3B脱色率呈现先增加后减小的趋势.试验组A对于X-3B的去除能力相对较差，出水X-3B脱色率仅为88.82%；试验组B的X-3B脱色率上升至98.28%；试验组C的X-3B脱色率最高，达到99.41%；进一步提高阴极面积，试验组D中X-3B脱色率反而降至85.48%.比较各层X-3B脱色率发现，底部湿地基质层脱色率差别不大 (P=0.039 6)，稳定在45.00%~46.00%，而阳极层脱色率相差较大，并最终导致出水X-3B脱色率的差别.当阴极面积由试验组A经试验组B增加到试验组C时，阳极层X-3B脱色率显著提高，由试验组A的43.21%增长至试验组B的49.00%，最终在试验组C中达到最高的54.09%，但当继续增加阴极面积到试验组D时，阳极层X-3B脱色率却下降至38.75%(P=0.000 8).
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图 10 不同阴极面积CW-MFC系统中X-3B在各层的脱色情况 Fig. 10 Decolorization rate of X-3B in CW-MFC with different cathode areas |
在阴极面积增大 (试验组A到C) 的过程中，阳极层X-3B脱色率随之增加.这是因为：一方面阴极面积的增加使阴极中微生物生物量增加，同时反应面积的增加有利于更多氧气参与到反应中，提高了阴极反应速率.阴极反应加速，质子消耗加快，一定程度上促进了在阳极产生的质子向阴极流动，缓解了阳极质子积累的的情况，该试验发现阳极pH由6.01上升到7.23.pH升高产电菌生长环境得到改善[27]，产电菌数量增加促进X-3B降解；另一方面，随阴极面积增加CW-MFC系统电流密度显著增加 (如图 7)，先前研究表明电流密度的增加提高了阳极产电菌的活性[20, 27, 28].产电菌作为阳极电子传递的介质，该试验中产电菌活性的提高使更多电子传递到X-3B进行还原降解作用，从而提高阳极层X-3B的去除率.当阴极面积继续增大 (试验组C、D) 时，阳极层X-3B去除率并没有继续随之增长反而呈现迅速下降的趋势.这是因为虽然阴极极化进一步得到改善，但阳极极化加重 (如图 9) 说明电子传递速率已经大于阳极反应速率，导致用于阳极层X-3B还原降解的电子数下降，最终导致X-3B去除率下降.
3 结论(1) 同种材质的湿地基质，其粒径和孔隙率越小，比表面积越大，湿地基质层中的微生物生物量就越大.CW-MFC系统中，底层湿地基质中微生物生物量越大越有利于X-3B在底层的去除，最终提高X-3B在整个系统中的去除效果.但是湿地基质中大量微生物的存在消耗了大量的葡萄糖，导致阳极产电菌和阴极微生物难以获得足够的营养物质，不利于其生长，造成系统产电下降，此外，湿地基质粒径和孔隙率减小，使得质子和离子向阴极传递受阻，造成阳极质子积累，阴极反应减慢，进一步抑制了系统的产电性能.
(2) 当阴极面积较小时，增大阴极面积，阴极反应速率加快，促进质子向阴极传递，阳极质子积累现象得到缓解，利于阳极微生物生长活动，提高CW-MFC系统对X-3B的去除能力.当阴极面积增加到一定程度后，大量电子传递到阴极，导致用于X-3B降解的电子数量不足，X-3B去除效果下降.CW-MFC系统产电性能随阴极面积增加不断提高，但增长幅度逐渐趋于平缓.阴极面积增加，阴极反应加快，阴极极化现象得到改善，但阳极极化现象更加严重，抑制了系统产电性能的快速提高.
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