微生物燃料電池處理丙酮和氨氮廢水及同步產(chǎn)電性能

丙酮作為基本的有機原料，廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、涂料等行業(yè)，這些行業(yè)排放的有機廢中含有高濃度的丙酮和氨氮化合物，且這些廢水本身具有復(fù)雜性和毒性，若直接排放到環(huán)境中，會對人體健康和環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。因此，為了保障人類和環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的健康與安全，有必要對丙酮/氨氮廢水進(jìn)行高效處理。目前，處理丙酮/氨氮廢水的方法有氧化（化學(xué)、電化學(xué)、光催化及其他氧化工藝）、溶劑萃取、吸附和生物降解技術(shù)。在這些技術(shù)中，生物法具有經(jīng)濟、環(huán)保、不產(chǎn)生二次副產(chǎn)物和污染物等優(yōu)點，受到廣泛青睞。金艷青等將膜工藝與厭氧生物反應(yīng)器組合構(gòu)建了沼氣循環(huán)厭氧膜生物反應(yīng)器，并用于處理丙酮廢水，丙酮去除率高達(dá)91.18%，膜截留與沼氣循環(huán)裝置大大提升了該反應(yīng)器的混合和傳質(zhì)性能，但膜污染和成本問題有待解決。有機廢水中含有大量的生物質(zhì)能源，若能從有機廢水中提取能量，有望緩解污水處理的成本問題。微生物燃料電池（MFC）是利用微生物的催化氧化作用將有機廢水中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，能夠同時實現(xiàn)廢水處理與電能回收，是一種綠色能源技術(shù)。近些年，MFC已成功地從養(yǎng)殖場廢水、垃圾滲濾液、制革廢水等污染物中提取能源，實現(xiàn)了廢水的資源化處理，但目前關(guān)于MFC同步降解丙酮/氨氮廢水及產(chǎn)電的研究鮮見報道。從工程角度來看，同時去除丙酮和氨氮是非常必要的研究，這既可以降低占地面積，又可以減少水力停留時間和運行成本。典型的雙室MFC包括陽極室、陰極室和中間離子交換膜，基于陽極室的厭氧環(huán)境和陰極室的好氧環(huán)境，為丙酮和氨氮的去除提供了理論可能性。MFC陰極通過硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮及亞硝態(tài)氮，主要通過以下兩種途徑去除：一是硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮通過陰離子交換膜（CEM）到達(dá)陽極室，通過反硝化細(xì)菌的作用轉(zhuǎn)化為N2；二是硝態(tài)氮可作為陰極電子受體，與從陽極產(chǎn)生的電子和質(zhì)子結(jié)合，最終被還原為N2。同時丙酮在陰極好氧微生物的作用下分解為CO2和H2O，由于丙酮降解菌和硝化細(xì)菌會相互抑制，因而有必要研究丙酮的濃度對氨氮去除的影響及MFC的產(chǎn)電狀況。再者，在一個反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)丙酮去除、硝化和反硝化過程的機理值得探討。本研究擬采用雙室MFC處理丙酮/氨氮廢水同時回收電能，探究不同丙酮質(zhì)量濃度對氨氮去除的影響以及MFC的產(chǎn)電性能，并測試陰極以及陽極的微生物群落結(jié)構(gòu)。本研究對于推動MFC技術(shù)處理難降解有機廢水及硝化和反硝化過程的應(yīng)用具有重要的理論價值和實踐意義。摘要：利用陰離子交換膜作為分隔膜構(gòu)建了生物陰極微生物燃料電池（MFC），通過硝化反硝化過程去除氨氮、降解丙酮同時產(chǎn)電?？疾炝吮|(zhì)量濃度對MFC產(chǎn)電性能及氨氮（質(zhì)量濃度200mg/L）和化學(xué)需氧量去除率的影響，采用高通量測序技術(shù)分析了陽極及陰極微生物群落結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，在丙酮質(zhì)量濃度為50~700mg/L范圍內(nèi)，丙酮的去除率均在96%以上；當(dāng)丙酮質(zhì)量濃度>300mg/L時，氨氮的去除開始受到抑制，氨氮最高去除率為73.7%，且丙酮質(zhì)量濃度為300mg/L時，對應(yīng)的MFC的產(chǎn)電性能最佳，最高輸出功率密度可達(dá)49.7mW/m2。從門級分類上看，陽極中的優(yōu)勢微生物群落主要為變形菌，擬桿菌門及厚壁菌門；陰極上的優(yōu)勢微生物群落為擬桿菌門、放線菌門、變形菌門及酸桿菌門。從屬級分類上看，陽極主要的優(yōu)勢菌種為Comamonas、Acetoanaerobium、Stenotrophomonas。陰極主要的優(yōu)勢菌種為Rhodococcus、Aridibacter、Thauera、Ignavibacterium。結(jié)論本研究成功實現(xiàn)了在雙室MFC中降解丙酮和氨氮同時回收電能的目的，當(dāng)丙酮質(zhì)量濃度<300mg/L時，陰極中的硝化細(xì)菌未受到明顯的抑制，產(chǎn)生的最大輸出功率密度為49.7mW/m2，最高COD和氨氮去除效率分別為71.4%和73.7%。此外，丙酮的去除率均在96%以上，說明具有高效的丙酮及氨氮去除性能。對陽極及陰極中的微生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，陽極中的優(yōu)勢菌為Comamonas、Acetoanaerobium、Stenotrophomonas；陰極中的