环境科学  2015, Vol. 36 Issue (3): 1021-1026   PDF    
引用本文
滕文凯, 刘广立, 骆海萍, 张仁铎, 符诗雨. 基质COD浓度对单室微生物电解池产甲烷的影响[J]. 环境科学, 2015, 36(3): 1021-1026.
TENG Wen-kai, LIU Guang-li, LUO Hai-ping, ZHANG Ren-duo, FU Shi-yu. Influence of Substrate COD on Methane Production in Single-chambered Microbial Electrolysis Cell[J]. Environmental Science, 2015, 36(3): 1021-1026.
基质COD浓度对单室微生物电解池产甲烷的影响
滕文凯, 刘广立, 骆海萍 , 张仁铎, 符诗雨    
中山大学环境科学与工程学院, 广东省环境污染控制与修复技术重点实验室, 广州 510275
收稿日期: 2014-08-22; 修订日期: 2014-10-16.
基金项目： 国家自然科学基金项目(51308557,51179212,51278500); 广东省环境污染控制与修复技术重点实验室开放基金项目(2013K0002); 广东省水与大气污染防治重点实验室开放基金项目(GD2012A01); 教育部博士点新教师基金项目(20130171120022);教育部留学回国人员科研启动基金项目(教外司留[2014]1685号);中央高校基本科研业务费青年教师培育项目(2014800031610561)
作者简介：滕文凯(1991~),男,硕士研究生,主要研究方向为水土环境污染修复,E-mail:tengwenkai@live.com
通讯联系人,骆海萍,E-mail:luohp5@mail.sysu.edu.cn
摘要：单室微生物电解池(microbial electrolysis cells,MEC)产甲烷过程中,底物COD浓度可同时影响阳极和阴极微生物的活性. 为了探究COD浓度的影响,构建生物阴极型单室MEC,比较COD为700、1000、1350 mg·L-1情形下产甲烷速率和COD去除量随外加电压的变化规律,并计算MEC的能量效益. 结果表明,随着COD的增加,产甲烷速率和COD去除量均呈增大趋势. 随着外加电压的升高(0.3~0.7 V),低COD条件下MEC的产甲烷速率呈增大趋势,而在中、高COD 条件下,产甲烷速率随着外加电压的升高先增大后减小; COD去除量的变化规律与产甲烷速率一致. 当外加电压为0.5 V时,阴极电势降至最低值 (-0.694±0.001)V,有利于产甲烷菌的富集,从而获得最高的产甲烷速率和能量回收率 (约42.8%). COD浓度1000 mg·L-1和外加电压0.5 V时,MEC可获得最大的能量收益0.44 kJ±0.09 kJ(约1450 kJ·m-3). 最终结果表明,MEC可利用低浓度COD废水生产甲烷,并且可获得正的能量效益,这为废水中化学能量的回收利用提供了新的研究思路.
关键词： 微生物电解池     产甲烷     生物阴极     化学需氧量     电压    
Influence of Substrate COD on Methane Production in Single-chambered Microbial Electrolysis Cell
TENG Wen-kai, LIU Guang-li, LUO Hai-ping, ZHANG Ren-duo, FU Shi-yu     
Guangdong Provincial Key Laboratory of Environmental Pollution Control and Remediation Technology, School of Environmental Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
Abstract: The chemical oxygen demand (COD) of substrate can affect the microbial activity of both anode and cathode biofilm in the single-chamber methanogenic microbial electrolysis cell (MEC). In order to investigate the effect of COD on the performance of MEC, a single chamber MEC was constructed with biocathode. With the change of initial concentration of COD (700, 1000 and 1350 mg·L-1), the methane production rate, COD removal and energy efficiency in the MEC were examined under different applied voltages. The results showed that the methane production rate and COD removal increased with the increasing COD. With the applied voltage changing from 0.3 to 0.7 V, the methane production rate increased at the COD of 700 mg·L-1, while it increased at first and then decreased at the COD of 1000 mg·L-1 and 1350 mg·L-1. A similar trend was observed for the COD removal. The cathode potential reached the minimum (-0.694±0.001) V as the applied voltage was 0.5 V, which therefore facilitated the growth of methanogenic bacteria and improved the methane production rate and energy efficiency of the MEC. The maximum energy income was 0.44 kJ±0.09 kJ (1450 kJ·m-3) in the MEC, which was obtained at the initial COD of 1000 mg·L-1 and the applied voltage of 0.5 V. Methanogenic MECs could be used for the treatment of wastewaters containing low organic concentrations to achieve positive energy production, which might provide a new method to recover energy from low-strength domestic wastewater.
Key words: microbial electrolysis cell     methane production     biocathode     chemical oxygen demand     voltage    

生物电化学系统(bioelectrochemical system,BES)可以在微生物的催化作用下降解废水中的有机、无机物产生电能等附加值产品，因而作为一种新型的污水处理方式在国内外受到广泛关注[1].作为BES的一种典型构型，微生物电解池(microbial electrolysis cell，MEC)则是通过在外电路施加低值电压实现废水产氢[2]. 传统的BES使用铂等作为阴极催化剂，价格昂贵，且容易受杂质污染，因此催生了生物阴极[3,4].通过构建生物阴极MEC，微生物从阴极直接或间接接受电子[5,6]，可实现硫酸盐、硝酸盐、二氧化碳等污染物质的还原去除[7,8,9,10].由于MEC可利用低浓度有机废水产甲烷，有可能填补厌氧消化技术处理低浓度COD废水的空白，因此利用生物阴极MEC还原二氧化碳产生甲烷的研究受到了普遍重视.

Clauwaert等[11]最早研究了单室MEC中产甲烷作用，产甲烷细菌利用阴极产生的氢气或直接利用乙酸产生甲烷. Cheng 等[12]构建了由生物阴极和非生物阳极组成的双室MEC反应器，得出当阴极电势低于-0.5 V(vs SHE，下同)时，微生物可直接从阴极获得电子将二氧化碳还原为甲烷; 同时构建了单室MEC，使用乙酸作为底物，得到能量回收率可达80%. 研究表明当阴极电极电势低于-0.65 V时，直接电子传递和以氢气作为媒介的产甲烷过程同时存在，两种机制的贡献随阴极电极电势而异[13]. Sasaki等[14,15,16,17]针对垃圾或污泥的产甲烷生物电化学系统进行研究，表明外加电压能够促进COD降解，增加甲烷产量，并提出COD越高时电压的促进作用越弱[15]，但该研究所用基质的COD浓度很高，且大多使用双室反应器. 由于城市污水COD较低[18]，研究低COD浓度条件下产甲烷速率的变化规律对这类废水的资源化利用有着十分重要的意义. 因此，低COD条件下底物浓度对单室MEC产甲烷作用的综合影响值得探究.

为了探究COD浓度对MEC产甲烷的影响，本研究构建了生物阴极型单室MEC，比较COD为700、 1000、 1350 mg ·L-1情形下产甲烷速率和COD去除量随外加电压的变化规律，并计算MEC的能量回收率和净能量效益. 1 材料与方法 1.1 MEC启动与运行

采用玻璃瓶制成的产甲烷单室MEC反应器，反应器有效容积300 mL，阴阳级均使用碳刷(直径3.5 cm，长3.5 cm)，两电极间使用Power Supply(ITECH IT6720，美国)控制外加电压，用钛丝相连，并串联10 Ω电阻. 生物阳极取自实验室正常运行的双室MEC，阴极使用珠江啤酒厂厌氧处理系统中的厌氧颗粒污泥浸出液接种. 反应器采用1 g ·L-1乙酸钠基质[11]启动，以72 h为一周期在生化培养箱内30℃条件下进行培养. 另构建一个相同反应器不加外电压作为空白对照以模拟普通厌氧发酵情况.

在外电阻两端使用数据采集器(Keithley2700，美国)进行电压数据连续采集，并换算成电流，同时使用气袋收集装置所产生物气. 待装置产气及电流密度曲线稳定后，分别以COD浓度约为700 mg ·L-1(低)、 1000 mg ·L-1(中)、 1350 mg ·L-1(高)的基质进行实验. 1.2 数据检测与分析

进水和出水的化学需氧量(COD)使用重铬酸钾法进行测量，使用COD消解仪(HACH DRB200，美国)进行消解; 阴极所产生气体的总量采用针筒抽取测定，气体成分使用气相色谱仪(岛津GC-2014，日本)进行分析; 电极电势使用数据采集器利用甘汞参比电极(雷磁232型，中国)进行测量; 电极线性扫描伏安法(LSV)测试使用电化学工作站(辰华CHI660C，中国); 电极微生物使用热场发射扫描电镜(FEI Quanta 400F，美国)进行观测.

根据采集到的连续电压数据，通过MEC的电流可由I=U/R计算获得，体积电流密度(IV,A ·m-3)计算公式为：

周期耗电量(We,kJ)计算公式为：

式中，U为电压(V)，I为电流(A)，t为周期时间(s)，R为外电阻(Ω)，V为MEC中的有效体积(m3).

COD去除量(ΔCOD，mg ·L-1)为进水COD浓度减去出水COD浓度; COD去除率则用COD去除量与进水COD比值表示. COD主要以乙酸形式存在，所消耗的有机物能量(WCOD，kJ)为：

式中，ΔHs为底物燃烧热，ΔHCH3COOH=870.28 kJ ·mol-1.

产甲烷量由实验数据根据理想气体状态方程计算获得，产甲烷速率为单位时间、 单位体积所产甲烷物质的量，甲烷所含能量(Wme，kJ)计算公式为：

式中，ΔHCH4为甲烷燃烧热ΔHCH4=890.31 kJ ·mol-1，V为气体体积(cm3)，p为气压(MPa)，T为温度(K)，R为常数8.314472 cm3 ·MPa ·(mol ·K)-1. T使用温度计测量，p取中央气象台网公布的数值.

则根据式(2)、 (3)、 (4)，能量回收率的计算公式为：

能量增益的计算公式为：

式中,WCK为对照反应器所产甲烷能量(kJ). 2 结果与讨论 2.1 不同COD条件下产甲烷规律分析

反应器运行两周后，电流密度曲线趋于稳定; 但直至反应器启动第50 d前后，产甲烷速率才逐渐稳定. 经周期反复运行，各MEC反应器产甲烷速率的平均值如图 1所示. 相同运行条件下，空白反应器和MEC中产甲烷速率均随着基质COD浓度的增加而增大. 空白反应器中，低、 中、 高COD浓度下的产甲烷速率分别为0.09 mol ·(m3 ·d)-1±0.03 mol ·(m3 ·d)-1、 0.58 mol ·(m3 ·d)-1±0.14 mol ·(m3 ·d)-1和1.96 mol ·(m3 ·d)-1±0.74 mol ·(m3 ·d)-1; 以0.5 V外加电压为例，低、 中、 高COD浓度下MEC的产甲烷速率分别为0.19 mol ·(m3 ·d)-1±0.01 mol ·(m3 ·d)-1、 1.35 mol ·(m3 ·d)-1±0.12 mol ·(m3 ·d)-1和2.32 mol ·(m3 ·d)-1±0.74 mol ·(m3 ·d)-1. 可见，基质COD对MEC运行效果的影响显著，而且随着COD浓度升高，MEC对产甲烷速率的促进作用减小. 在低、 中COD浓度下，外加电压0.5 V的MEC的产甲烷速率比空白反应器分别提高了120%、 132%，相比之下，COD高达30 g ·L-1左右时外加电压0.8 V仅仅使产甲烷速率最大提高了约80%[15].

图 1 不同外加电压条件下产甲烷速率Fig. 1 Methane production rate of MEC under different voltage

中、 低COD浓度下，MEC的产甲烷速率比空白反应器均有所提升. 低COD浓度下，产甲烷速率随着外加电压的升高而增大，外加电压为0.7 V时产甲烷速率最大为0.28 mol ·(m3 ·d)-1±0.03 mol ·(m3 ·d)-1. 中COD浓度下，产甲烷速率随着外加电压的升高先增大后减小，当外加电压为0.5 V时产甲烷速率最大为1.35 mol ·(m3 ·d)-1±0.12 mol ·(m3 ·d)-1. 而在高浓度COD条件下，MEC与空白产甲烷速率差距减小，反应器稳定性减弱，但产甲烷速率最高值仍出现在0.5 V,为2.32 mol ·(m3 ·d)-1±0.74 mol ·(m3 ·d)-1.

COD去除量的结果如图 2所示. 相同运行条件下，空白反应器和MEC中COD去除量均随着基质COD浓度的增加而增大. 空白反应器中，低、 中、 高COD浓度下的COD去除量分别为277 mg ·L-1±64 mg ·L-1、 536 mg ·L-1±27 mg ·L-1和949 mg ·L-1±229 mg ·L-1，COD去除率分别为42.8%±8.9%、 55.0%±2.3%、 71.1%±15.1%; 以0.5 V外加电压为例，低、 中、 高COD浓度下MEC的COD去除量分别为306 mg ·L-1±44 mg ·L-1、 722 mg ·L-1±78 mg ·L-1和982 mg ·L-1±97 mg ·L-1，COD去除率分别为47.5%±6.2%、 75.3%±7.1%、 72.5%±10.3%. 而不同条件下COD去除量随外加电压的变化规律与产甲烷速率的变化规律相似. 低、 中COD浓度下，各不同电压情形下运行的MEC的COD去除量均高于空白反应器，COD去除量的最高值分别出现在0.7 V和0.5 V，COD去除率最高可达约76%. 其中，中浓度COD条件下COD最大去除量约为低浓度条件下的2倍，同样表明低COD条件下进水COD对MEC运行效果影响显著.

图 2 不同外加电压条件下COD去除量Fig. 2 COD removal of MEC under different voltage

以上数据表明，不同浓度COD条件下产甲烷速率和COD去除量随外加电压的变化规律不同，这可能是因为：①MEC的阴、 阳极电势随着外加电压的变化而改变，而一定范围内阴极电势越低越有利于产甲烷菌的生长附着[12]，从而促进产甲烷作用，这点将在下一小节讨论; ②阳极产电菌和阴极产甲烷菌之间的竞争及协同关系随着外部条件的改变而改变. 根据产甲烷菌生态学研究成果[19]，在乙酸作为底物的单室MEC中，产电菌与乙酸营养型产甲烷菌之间存在底物竞争关系; 而Jiang等[20]对产甲烷微生物系统的研究表明，产甲烷菌能够和产电菌建立电互营(electric syntrophy)[21]关系，共同代谢乙酸促进甲烷产生. 2.2 不同COD、 外加电压对电极性能的影响

各MEC反应器运行稳定时最大电流密度的比较如图 3所示. 同一电压条件下，随着COD浓度的升高，电流密度逐渐升高; 随着外加电压的升高，电流密度逐渐增大. 这可能是两方面原因造成的. 一方面，COD浓度升高，基质中乙酸钠的含量增加，基质的电导率也略微升高，因此反应器内阻减小，电流密度增大; 另一方面，COD浓度增大，底物浓度升高，阳极产电菌代谢增强，导致电流密度增大.

图 3 不同外加电压条件下电流密度Fig. 3 Current density of MEC under different voltage

为了分析生物电极的电学性质，对高浓度COD反应器的生物阳极和生物阴极进行线性扫描伏安法 测试. 如图 4所示，当阳极电势高于-0.2 V(vs SHE)、 阴极电势低于-0.6 V时，生物电极的电流密度远远大于非生物电极. 这说明在MEC运行条件下，具有电化学活性的细菌可附着在阳极和阴极表面，从而降低电极的活化内阻. 此外，图 4还显示生物电极的电势受电流影响很大,也即电极极化现象. MEC系统中，所加外电压越大，则电流密度越大; 电流越大则阳极电势越高，而阴极电势等于阳极电势减去外电压，故阴极电势随着外加电压的升高并不一定是逐渐降低的. 这与图 5中展示的电极电势的监测结果相吻合. 随着外加电压增大，阳极电势升高，而阴极电势则先降低，后略微升高. 当外加电压为0.5 V时，阴极电势达到最低，约为-0.694 V±0.001 V. 而研究表明电极电势越低越有利于甲烷产生[13]. 这也进一步解释了产甲烷速率和COD去除量在此处达到峰值的结果.

图 4 生物/非生物电极线性扫描伏安法图像Fig. 4 Linear sweep voltammograms of bioelectrodes/non-bioelectrodes

图 5 不同电压条件下电极电势(vs SHE)Fig. 5 Electrode potential of MEC under different voltage
2.3 MEC能量效益分析

将所产生物气的能量与输入的电能和底物能量相比，得到能量回收率. 其结果如图 6所示. 相同运行条件下，空 白反应器和MEC中能量回收率均随着基质COD浓度的增加而增大. 空白反应器中，低、 中、 高COD浓度下的能量回收率分别为6.2%±0.7%、 21.4%±6.3%和40.4%±13.3%; 以0.5 V外加电压为例，低、 中、 高COD浓度下MEC的能量回收率分别为10.9%±0.7、 34.8%±6.6%和42.8%±11.0%. 本实验能量回收率低于Cheng等的研究[12]，说明可直接利用阴极还原二氧化碳的产甲烷菌不占主导. 低、 中、 高COD条件下，能量回收率均在外加电压0.5 V时达到最大值. 值得一提的是，中、 低COD条件下各反应器能量回收率均高于对照反应器，而高COD下大部分反应器略低于对照，说明在本实验装置参数下，当COD高于1300 mg ·L-1时，外加电压对产甲烷作用的促进不明显甚至抑制产甲烷作用，这与Sasaki等[15]报道的结果一致.

图 6 不同电压条件下能量回收率Fig. 6 Energy efficiency of MEC under different voltage

能量增益可体现由普通厌氧反应器构建MEC反应器所获得的净效益，这对MEC实际应用价值的评估至关重要. 但近几年类似研究中关于电能输入与甲烷增量(相对于空白反应器)的关系却鲜有报道. 本研究中MEC产甲烷能量效益如图 7所示. 在中COD浓度条件下，外加电压0.4 V和0.5 V的MEC反应器可获得正的能量效益，其中最大值为0.44 kJ±0.09 kJ(约1450 kJ ·m-3). 多数反应器能量收益均等于或小于空白反应器. 换而言之，尽管一些条件下生物电化学系统能够促进甲烷的产生，但所生成的甲烷增量大都难以弥补输入的电能. 因此，选择合适的电学参数对于MEC产甲烷的实际应用具有至关重要的意义.

图 7 不同电压条件下能量增益Fig. 7 Energy profit of MEC under different voltage
2.4 电极生物膜SEM表征

如图 8所示，为了表征生物电极微生物与电极的联系，取运行稳定时0.5 V反应器阳极和阴极碳刷进行SEM扫描，并以非生物碳刷进行对照. 通过与没有微生物附着的空白对照的对比(均放大6000倍)，可看出阳极和阴极碳纤维表面均附着有大量微生物. 阳极碳刷的碳纤维表面包覆了一层很厚的生物膜(厚度约为碳纤维半径)，生物膜内细菌种类丰富. 而阴极碳纤维表面相对微生物较少，种类也较少，主要约有两种形态的微生物存在，可能为甲烷短杆菌、 甲烷杆菌.

图 8 空白碳刷、 生物阳极及生物阴极表面微生物的扫描电镜图像Fig. 8 SEM images of microorganisms on the surface of non-bioelectrode,bioanode and biocathode
3 结论

(1)在700、 1000、 1350 mg ·L-1 这3种COD浓度条件下，MEC反应器的产甲烷速率和COD去除量均随着COD浓度的增加而增大.

(2)外加电压为0.3-0.7 V时，700 mg ·L-1 COD条件下，产甲烷速率随外加电压的升高而升高; 1000 mg ·L-1和1350 mg ·L-1 COD条件下，产甲烷速率随外加电压的升高先增加后减小，当外加电压为0.5 V时产甲烷速率最高. COD降解的规律与产甲烷速率相似.

(3)LSV扫描结果显示，当阳极电势高于-0.2 V(vs SHE)、 阴极电势低于-0.6 V时，生物电极的电流密度远远大于非生物电极. 这说明在MEC运行条件下，具有电化学活性的细菌可附着在阳极和阴极表面，从而降低电极的活化内阻.

(4)在700、 1000和1350 mg ·L-1这3种COD浓度条件下，MEC反应器的能量回收率随着COD浓度的增加而增大. COD浓度1000 mg ·L-1和外加电压0.5 V时，MEC可获得最大的能量收益0.44 kJ±0.09 kJ(约1450 kJ ·m-3).

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