有機(jī)廢水微生物電解產(chǎn)氫研究及電極微生物功能解析.pdf

1、當(dāng)今全球范圍內(nèi)不得不同時(shí)面對能源問題與環(huán)境問題，如何將二者兼顧是當(dāng)前環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科的重要研究方向之一，同時(shí)如何突破現(xiàn)有方式和手段的局限性并發(fā)展新的技術(shù)則是本領(lǐng)域?qū)W科交叉和前沿性的發(fā)展趨勢和要求。針對有機(jī)廢水處理能源化，微生物電解電池（MEC）是國際上最近幾年提出并迅速發(fā)展的新技術(shù)，在較小的輔助電壓下借助具有電子傳遞功能的微生物可以有效的處理多種有機(jī)質(zhì)并獲得氫氣，功能上兼顧廢水處理和清潔能源開發(fā)的雙重需求。本文針對提高 MEC反應(yīng)器的

2、廢水處理和產(chǎn)氫能力，從反應(yīng)器構(gòu)造改進(jìn)與優(yōu)化等方面開展分析研究，并采用單鏈異構(gòu)多肽性技術(shù)對電極功能菌群進(jìn)行分析；探索單極室 MEC反應(yīng)器中產(chǎn)甲烷對產(chǎn)氫過程的競爭性影響，并提出控制方法；采用高通量基因芯片技術(shù)分析不同啟動模式對反應(yīng)器效能的影響，解析反應(yīng)器效能與功能菌群結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系，并試圖揭示反應(yīng)器中功能菌群的微生物生態(tài)學(xué)規(guī)律。
　　針對雙極室 MEC反應(yīng)器，通過對反應(yīng)器構(gòu)造改進(jìn)，逐步提高了系統(tǒng)廢水處理能力和產(chǎn)氫能力，同時(shí)，提出以陽極

3、電極電勢指示和分析產(chǎn)氫過程的思路。將雙極室反應(yīng)器電極距離壓縮70％，質(zhì)子交換膜面積增大一倍，發(fā)現(xiàn)體系內(nèi)阻降低了62%，電子傳遞庫侖效率從56%增加到70%，采用普通活性炭為填料提高陽極室比表面積后庫侖效率進(jìn)一步提高到80%。氫氣的轉(zhuǎn)化率從最初的0.5 mol/mol乙酸鹽提高到1.4 mol/mol乙酸鹽，依據(jù)消耗電能核算獲得氫氣能量的能量效率從60%提高到110%左右。以微生物陽極電勢作為MEC工藝運(yùn)行指示參數(shù)的方法，研究結(jié)果表明，陽

4、極電極電勢低于-200 mV（氯化銀參比電極）時(shí)體系產(chǎn)氫，陽極室pH值6.0～7.0以及底物濃度不低于50 mg·L-1可以保持持續(xù)產(chǎn)氫。同時(shí)，懸浮液功能菌的存在對降低體系電子傳遞阻力和維持產(chǎn)氫低電極電勢有積極作用。
　　采用單鏈異構(gòu)多肽性技術(shù)分析雙極室 MEC反應(yīng)器陽極生物膜群落，發(fā)現(xiàn)Pseudomonas為代表的細(xì)胞外電子傳遞功能菌，而其他眾多優(yōu)勢菌不具備電子傳遞相關(guān)功能。通過反應(yīng)器中菌群分布分析，懸浮液菌群構(gòu)成可以反映生物膜

5、群落結(jié)構(gòu)，但是在數(shù)量構(gòu)成和比例上有所不同；質(zhì)子交換膜在陽極室一側(cè)會生成生物膜，但數(shù)量和種類十分有限，這些菌功能上不與消耗氫氣或者利用電子相關(guān)。分析認(rèn)為，陽極室內(nèi)非電子傳遞功能菌是導(dǎo)致體系庫侖效率降低的原因。但是以陽極生物膜啟動新反應(yīng)器時(shí)，菌群競爭并沒有導(dǎo)致電子傳遞功能菌優(yōu)勢擴(kuò)大，初步認(rèn)為電子傳遞功能菌與其他優(yōu)勢菌群并不是對立和競爭關(guān)系。
　　采用構(gòu)造改進(jìn)的單極室 MEC反應(yīng)器，可以獲得更高的處理效率和能量效率，但是產(chǎn)甲烷現(xiàn)象不可避

6、免并造成氫氣收益損失。在0.5 V以上電壓條件下，COD去除率和庫侖效率可達(dá)90%以上，氫氣產(chǎn)率為3.0 mol/mol乙酸鹽，能量效率可以達(dá)到180%左右。針對MEC運(yùn)行過程產(chǎn)甲烷導(dǎo)致氫氣損失的問題，在以氫氣消耗產(chǎn)甲烷為主要途徑的分析上，提出了增高外加電壓促使氫氣產(chǎn)生速率提高和抑制產(chǎn)甲烷的可能性。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電壓低于0.4 V時(shí)最終氣體產(chǎn)物中甲烷含量可以高達(dá)10%以上，當(dāng)提高到0.6 V以上時(shí)可以將甲烷含量控制在4%以下。
　　

7、通過對單極室 MEC不同啟動模式下的生物膜菌群功能基因結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)直接外加電壓的MEC產(chǎn)氫啟動反應(yīng)器在庫侖效率和產(chǎn)氫收率上具有優(yōu)勢。分析發(fā)現(xiàn)，增高外加電壓可以對部分碳降解和與金屬耐受性相關(guān)功能基因表達(dá)起到促進(jìn)作用。MEC產(chǎn)氫啟動在較高外加電壓下，反應(yīng)器效果最好，其基于細(xì)胞色素基因的電子傳遞功能菌構(gòu)成更豐富，Pseudomonas菌類信號最強(qiáng)。在底物降解上，以乙酸鹽為單一碳源能夠形成功能豐富的微生物群落，涉及十多個(gè)方面的物質(zhì)代謝和元素循

8、環(huán)過程，體系具備降解復(fù)雜底物的能力，如纖維素等。由此推測，在處理有機(jī)質(zhì)時(shí)不同功能菌間存在著密切協(xié)作關(guān)系。以反應(yīng)器效能參數(shù)（庫侖效率，COD去除率，氣體產(chǎn)物H2、CH4和CO2）作為環(huán)境因子，對菌群功能基因結(jié)構(gòu)影響分析，結(jié)果表明庫侖效率與底物去除與群落功能影響最密切，而氫氣與甲烷產(chǎn)物并不是顯著關(guān)聯(lián)因素。
　　對微生物電解電池體系功能差異在菌群結(jié)構(gòu)上的影響進(jìn)行分析，借鑒微生物生態(tài)學(xué)理論的群落多穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象對電極微生物群落差異對反應(yīng)器效能的