榨菜是重慶市的重要產(chǎn)業(yè)之一，近些年來隨著規(guī)模的不斷擴大，年用水量呈現(xiàn)出增加的趨勢。高鹽榨菜廢水對環(huán)境的危害極大，如未經(jīng)妥善處理最終匯入三峽水庫，將會對三峽水庫的水安全造成威脅。目前主要采用生物法處理高鹽廢水，但傳統(tǒng)的生物處理法存在以下弊端：第一，運行維護費用和能量消耗較高；第二，工藝產(chǎn)生了大量的剩余污泥，需要外加治理措施，造成了成本的增加。再者，越來越多的研究表明，具有高鹽特性的廢水會降低生物處理工藝的硝化與反硝化速率，從而使常規(guī)工藝的脫氮性能受到影響。
高鹽廢水中含有大量可被微生物利用的化學能。在生物電化學系統(tǒng)（BES）中，微生物將有機化合物氧化分解，此過程產(chǎn)生可被利用的電能，在污水資源化利用的同時也使有害物質(zhì)減量化。目前的研究發(fā)現(xiàn)，微生物燃料電池（MFC）可以通過不同的改進手段最終達到對污（廢）水的有效處理、電能的開發(fā)及再利用、金屬和營養(yǎng)物質(zhì)的回收等目的，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦臀郏◤U）水處理技術(shù)。高鹽廢水的特性會對MFC的運行使用性能產(chǎn)生影響：首先，較高的離子強度有助于BES中的離子遷移，以達到減小MFC內(nèi)阻的目的；其次，高鹽廢水的高滲透壓特性對微生物新陳代謝具有抑制作用，進而會影響MFC的產(chǎn)電性能。
在單室MFC中，異養(yǎng)硝化-好氧反硝化（HN-AD）菌可利用基底中的有機物作為電子供體，將不同形態(tài)的氮轉(zhuǎn)化成N2。相較于傳統(tǒng)脫氮工藝，異養(yǎng)硝化-好氧反硝化可在同一個反應(yīng)器中進行，且具有更高的氨氮去除效率。目前被報道的HNAD菌（屬）有Paracoccus、Thauera、unclassified_f__Rhodobacteraceae、Flavobacterium、Arcobacter、Halomonas等。為穩(wěn)定高效地啟動適用于處理高鹽榨菜廢水的單室MFC，需要尋找產(chǎn)電與污染物去除性能均優(yōu)的單室MFC陰極接種污泥，這對利用MFC處理高鹽廢水走向?qū)嶋H化應(yīng)用具有重要意義。另外，目前關(guān)于HN-AD菌的OTU數(shù)量是否與MFC處理效率相關(guān)，鮮有研究報道。因此，筆者通過設(shè)計新的方法馴化取自榨菜廢水處理廠的活性污泥，獲得含HN-AD菌OTU數(shù)量不同的污泥，探討HNAD菌OTU數(shù)量對單室MFC啟動時的產(chǎn)電及污染物去除性能的影響，最終獲得適用于處理高鹽榨菜廢水的單室MFC陰極接種污泥。
1、材料與方法
1.1 實驗用水
實驗用水為榨菜廢水，取自重慶市某榨菜廢水處理廠初沉池出水。由于取得的榨菜廢水水質(zhì)具有波動性，故使用NaAC、NaCl、NH4Cl將COD、鹽度、NH4+-N分別調(diào)至1000mg/L、15g/L、200mg/L。
1.2 實驗裝置
單室無膜空氣陰極MFC結(jié)構(gòu)如圖1所示。反應(yīng)器由有機玻璃板構(gòu)成，反應(yīng)腔室的長×寬×高為60mm×60mm×70mm，腔體有效體積為252mL。陽極采用有效面積為3300mm2的正方形碳氈，尺寸為55mm×60mm×2mm；陰極采用有效面積為4200mm2的長方形碳能碳布，尺寸為60mm×70mm。陰陽極均由鈦絲引出，并經(jīng)銅導線與電阻箱連接構(gòu)成閉合回路。串聯(lián)的外電阻設(shè)置為500Ω，電壓數(shù)據(jù)由電壓采集卡收集并存儲于電腦中。電池運行過程中，采用磁力攪拌器對電極液進行攪拌。反應(yīng)器上部預(yù)留兩個直徑為8mm的圓孔，用于電極液的更換及取樣，運行過程中使用橡膠塞密封。為了使反應(yīng)器具有良好的密封性，相鄰兩塊有機玻璃板之間墊有橡膠片，并用螺栓擰緊固定。用導電膠將鈦絲固定在碳布中間，由于螺栓的固定作用，陰極被穩(wěn)定地安裝在反應(yīng)器中；通過熱熔膠將穿插在碳氈中間的鈦絲與反應(yīng)器黏結(jié)，從而避免陽極晃動對實驗造成干擾。
1.3 實驗方法
①接種污泥的富集培養(yǎng)
原始活性污泥取自重慶市某榨菜廢水處理廠AO工藝的缺氧段與好氧段。在正式馴化之前，用20目篩子篩除活性污泥中的大顆粒雜質(zhì)。取500mL缺氧段活性污泥與500mL相應(yīng)培養(yǎng)液混合，置于1L錐形瓶中培養(yǎng)，將馴化后的污泥命名為YW；將好氧段活性污泥用缺氧池出水養(yǎng)護，并命名為HW1；將500mL好氧段活性污泥與500mL相應(yīng)培養(yǎng)液混合，置于1L廣口瓶中培養(yǎng)，將馴化后的污泥命名為HW2。YW馴化池上口用橡膠塞密封，為反硝化菌的生長提供厭氧環(huán)境；HW1、HW2培養(yǎng)器設(shè)曝氣裝置，為硝化菌的富集提供充足的氧氣。所有污泥的養(yǎng)護及馴化均用磁力攪拌器攪拌。
活性污泥培養(yǎng)液水質(zhì)特性如表1所示。
3種污泥培養(yǎng)液的pH均采用1mol/L的HCl或NaOH溶液調(diào)至7.00。COD、鹽度、NH4+-N、NO3--N的調(diào)制藥劑分別為醋酸鈉、NaCl、NH4Cl、KNO3。YW、HW1培養(yǎng)液參照Zhang等的研究，YW培養(yǎng)液以生活污水為基底，每隔2d換一次水；HW1培養(yǎng)液采用原始缺氧池出水養(yǎng)護，每隔2d換一次水；HW2培養(yǎng)液在HW1污泥培養(yǎng)液的基礎(chǔ)上添加醋酸鈉，并將COD調(diào)至1000~1200mg/L。
②污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)分析
HW1與HW2兩種接種污泥屬水平上的微生物群落結(jié)構(gòu)見圖2。屬水平上HW1與HW2中的HN-AD菌主要有Thauera、unclassified_f__Rhodocyclaceae。相對于HW1，HW2在屬水平上的優(yōu)勢脫氮菌群（相對豐度>1%）發(fā)生了較大改變，例如，HW2中HN-AD菌的總相對豐度達到了16.33%，而HW1僅為5.29%。這主要是由于HW2培養(yǎng)液中含有較多的COD和NH4+-N，為HN-AD菌提供了豐富的生命燃料。HW1中HN-AD菌的OTU數(shù)量為1500，HW2中HNAD菌的OTU數(shù)量為7500。
③反應(yīng)器的接種方式
實驗分為S1、S2和S3三組。三組實驗的陽極接種采用相同的方式，將陽極的碳氈單獨固定在接種腔室內(nèi)，向腔室內(nèi)緩慢注入15mL的YW污泥，隨后將接種腔室緩慢充滿YW污泥培養(yǎng)液，接種YW污泥的目的是為了使陽極具有良好的產(chǎn)電能力與反硝化能力，待陽極電勢運行至450~500mV時視為陽極掛膜完畢；S2、S3實驗組的陰極接種方式相同，將陰極碳布固定于接種腔室內(nèi)，其親水側(cè)面向腔室，疏水側(cè)與大氣相連。S2與S3實驗組陰極接種的區(qū)別在于所使用的接種污泥不同。掛膜階段，S2實驗組取15mL的HW1污泥至陰極掛膜腔室內(nèi)，并充滿HW1污泥培養(yǎng)液，待滿3個掛膜周期后，將陰陽極拼合啟動。而S3實驗組使用的接種污泥與掛膜液為HW2污泥及其培養(yǎng)液。從開始加入榨菜廢水至NH4+-N消耗完為止的時間段，視為陰極的一個掛膜周期�？瞻捉MS1的陰極為空白碳布。
④實驗運行方式
反應(yīng)器啟動的外電阻保持500Ω。從開始投加泥水混合物到電壓下降至50mV左右為一個產(chǎn)電周期。從開始拼裝后，連續(xù)監(jiān)測3個周期的水質(zhì)，在第4個周期，測量MFC的功率密度曲線及極化曲線。運行過程中需要將單室的換水孔用橡膠塞密封，目的是避免反應(yīng)器上方的氧氣進入腔室，從而對反應(yīng)器的性能造成干擾。
1.4 分析方法
COD采用便攜式分光光度計測定；鹽度采用電導率儀測定；DO采用哈希HQ30D便攜式溶解氧儀測定；pH采用便攜式儀器檢測；氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總氮采用國家標準方法測定。
2、結(jié)果與分析
2.1 產(chǎn)電性能分析
3個實驗組的電壓運行情況見圖3。相對于S2與S3組，空白組S1的峰值電壓最高，為（0.4972±0.0335）V，高于S2組的（0.4731±0.0200）V與S3組的（0.4638±0.0181）V。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因是S1組單室MFC碳布陰極未接種活性污泥，短時間內(nèi)陰極幾乎沒有嗜氧的微生物爭奪電子受體。在3個實驗組單室MFC陰極碳布有效面積一定的情況下，氧氣的入滲速率視作相同，S1組陰極滲入的氧氣參與電極氧還原反應(yīng)的量大于其余兩組，所以S1組的峰值電壓大于其余兩組。此外可以發(fā)現(xiàn)，S2組的電壓略高于S3組，這可能是由于在短時間內(nèi)，S2組的HN-AD菌OTU數(shù)量小于S3組，后者進行異養(yǎng)硝化-好氧反硝化時快速地消耗了COD和氧氣，導致S3組的電極氧還原速率下降，而氧還原反應(yīng)的減少會直接導致陰極電勢的下降。以上結(jié)果表明，HN-AD菌OTU數(shù)量的增加會導致單室MFC電壓略微下降。
除了電壓運行數(shù)據(jù)表現(xiàn)出差異性之外，3組實驗的產(chǎn)電周期亦出現(xiàn)了相應(yīng)的變化。如圖3所示，S1、S2、S3組的產(chǎn)電周期時長分別為116、84、92h。相對于其他兩組實驗，S1組的產(chǎn)電周期最長，產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因是：S1組的陰極在短時間內(nèi)幾乎不存在異養(yǎng)微生物，例如HN-AD菌、反硝化菌以及其他異養(yǎng)菌群，對系統(tǒng)中COD的消耗速率較小，故其產(chǎn)電周期較長，這說明HN-AD菌對單室MFC的產(chǎn)電性能有抑制作用。S2、S3實驗組的產(chǎn)電周期相差不大。
圖4為3個實驗組的功率密度曲線。S1、S2和S3組的最大功率密度分別為11.59、8.76和8.43W/m3，最大電流密度分別為56.35、45.23和41.26A/m3。圖5為3個實驗組的極化曲線。S1、S2和S3實驗組的開路電壓分別為640、618和614mV，內(nèi)阻分別為29.08、36.56和38.79Ω。S2和S3組的最大功率密度、開路電壓、最大電流密度、歐姆內(nèi)阻相差不大；但是相對于S2和S3組，S1組的最大功率密度與最大電流密度均最大，這可能是由于S2和S3組陰極生物膜的存在會與氧還原反應(yīng)競爭氧氣，導致陰極電勢的下降，從而導致電池性能的下降。電極微生物的存在會降低單室MFC的最大電流密度與最大功率密度。
6為3個實驗組的電極極化曲線。S1、S2和S3組的陽極開路電勢分別為-466、-463和-468mV，陰極開路電勢分別為174、155、146mV。3組實驗的陽極電勢相差無幾，說明陰極是單室MFC系統(tǒng)的關(guān)鍵電極。相對于S2與S3組，S1組的開路陰極電勢最大，說明電極微生物的存在對單室MFC陰極電勢起著抑制作用。在電解質(zhì)溶液與碳布陰極之間存在一層生物膜，會對單室MFC的產(chǎn)電造成不利影響，例如會造成H+與OH的反應(yīng)受阻、產(chǎn)生的胞外聚合物的分泌會對鉑碳催化劑的發(fā)揮起著抑制作用等。S3組的陰極電勢略大于S2組，這是由以下兩個原因造成的：首先，S3組的陰極生物膜的異養(yǎng)硝化菌豐度大于S2組，對氧氣的爭奪效應(yīng)較大，氧還原反應(yīng)減弱，進而影響單室MFC的陰極電勢；其次，陰極膜中不具備脫氮產(chǎn)電功能的好氧雜菌也對氧氣具有一定的爭奪作用。王濤等構(gòu)建SBR反應(yīng)器，探討不同C/N下生物菌團的異養(yǎng)硝化與自養(yǎng)硝化性能，發(fā)現(xiàn)當C/N為7時，異養(yǎng)硝化速率為40.28mg/（gVSS·d），約為自養(yǎng)硝化速率的3倍。
總體而言，S1組的產(chǎn)電性能要優(yōu)于S2與S3組，陰極微生物的存在對單室MFC的產(chǎn)電性能具有抑制作用。而S2與S3組產(chǎn)電性能沒有表現(xiàn)出顯著的差異性，即陰極接種污泥中HN-AD菌OTU數(shù)量的增加對單室MFC的產(chǎn)電性能具有抑制作用，但并不顯著。
2.2 污染物去除性能分析
圖7為典型周期中3個實驗組的氮、COD、pH及DO的變化�？梢钥闯�，NH4+-N的去除經(jīng)歷了由快到慢的兩階段變化過程，且運行過程中未出現(xiàn)硝酸鹽與亞硝酸鹽的累積。實驗初期，由于電解質(zhì)溶液中的有機物較充足，反應(yīng)器內(nèi)的微生物快速生長繁殖，導致NH4+-N有著較高的去除速率；后期NH4+-N的去除速率放緩，這主要是由于異養(yǎng)脫氮菌缺乏碳源所造成的生命活動較弱。
如圖7所示，COD的降解也呈現(xiàn)出先快后慢的趨勢。實驗開始時，由于電解質(zhì)底物充足，異養(yǎng)菌之間的競爭關(guān)系較弱，COD的去除速率較快；后期由于底物的匱乏，異養(yǎng)菌的活性減弱，導致電解質(zhì)溶液中的COD降解速率變慢。單室MFC電解液中的COD主要有以下3個去除途徑：首先，COD可被單室MFC陽極產(chǎn)電微生物燃料利用而去除，并且去除的過程中產(chǎn)生電子；其次，單室MFC陰極生物膜中的脫氮菌群利用有機物完成氮的轉(zhuǎn)化，例如異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌、反硝化菌；最后，體系中存在有非脫氮非產(chǎn)電功能的異養(yǎng)雜菌，也會消耗水中的COD，以維持其生命活動的進行。
電解液在實驗前期處于厭氧狀態(tài)，后期有氧氣入侵，原因主要是：第一，由于缺少碳源，陰極生物膜內(nèi)異養(yǎng)菌的生命活動減少，氧氣的消耗減少；第二，由于碳源的缺乏，陽極微生物的活性也遭受抑制，導致傳遞至陰極的電子減少，氧電化學還原速率減慢。3組實驗的pH均穩(wěn)定在7.0~8.5，與之前的研究相同，說明單室MFC具有良好的自緩沖性。首先，高鹽榨菜廢水本身含有大量的緩沖性物質(zhì)，如HPO42-、H2PO4-、HCO3-、CO32-，因此具有良好的緩沖性能；其次，由于單室MFC發(fā)生的主要是同步硝化反硝化，理論上，硝化菌每氧化1kg的NH4+-N需消耗7.14kg的堿度，而反硝化菌每還原1kg硝態(tài)氮所產(chǎn)生的堿度約為3.57kg，反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的堿度可以部分中和硝化反應(yīng)所產(chǎn)生的堿度；最后，氧還原反應(yīng)產(chǎn)生的堿度也是維持單室MFC自緩沖性的重要因素。
為統(tǒng)一分析單室MFC中COD、NH4+-N及TN的兩階段去除效率，將第1階段起點定為實驗開始時刻，第1階段終點以及第2階段起點定為離實驗結(jié)束前8h，第2階段終點定為實驗結(jié)束時刻。結(jié)果見表2。可以看出，無論是從平均降解速率考量，亦或是第1、第2階段降解速率，基本都呈現(xiàn)出S3組的NH4+-N及TN降解速率最大，而S1組最小的規(guī)律。S1組第2階段的TN降解速率基本與第1階段相當，這可能是由于S1實驗組的氮去除主要是物理的汽提作用而非微生物的硝化/反硝化作用，導致總體脫氮率偏低，階段劃分不明顯。另外COD的降解速率均呈現(xiàn)第1階段較大、第2階段較小的趨勢。
S1、S2以及S3實驗組的COD進水濃度分別為（1002.38±22.73）、（1011.52±19.14）、（1005.99±28.11）mg/L，出水濃度分別為（158.25±1.84）、（110.94±4.39）、（87.79±4.81）mg/L，去除率分別為（85.67±1.34）%、（87.98±1.63）%、（91.13±1.14）%。3個實驗組的COD去除率相差不大，均在90%左右，說明陰極HN-AD菌的OTU數(shù)量對單室MFC的COD去除率無顯著性影響。Zhang等采用單室MFC處理不同C/N的人工高鹽廢水，發(fā)現(xiàn)當C/N處于4~5之間時，COD去除率最高，為82.18%~86.17%，與本研究的結(jié)果基本相當。
S1、S2與S3實驗組的NH4+-N進水濃度分別為（224.36±2.78）、（225.50±2.23）、（226.97±5.95）mg/L，出水濃度分別為（204.16±2.46）、（68.39±1.44）、（22.09±2.04）mg/L，去除率分別為（6.84±1.09）%、（69.01±0.86）%與（90.13±2.55）%。S1、S2和S3組的TN進水濃度均在230mg/L左右，出水濃度分別為（204.73±1.23）、（69.75±2.65）和（22.82±2.06）mg/L，去除率分別為（6.20±0.60）%、（70.4±1.88）%和（90.83±1.46）%。相對于S2和S3組，S1組的NH4+-N及TN去除率明顯最低，說明陰極HN-AD菌的存在會促進單室MFC的脫氮效率。陰極氧氣的滲入為NH4+-N氧化提供了物質(zhì)來源，同時接種微生物中含有大量硝化與反硝化菌，可將電解液中的氮去除。S3組的NH4+-N及TN去除率比S2組高，這可能是由于在單室體系中，HN-AD菌比自養(yǎng)硝化菌更適合生存。Yang等構(gòu)建單室MFC處理人工模擬廢水，發(fā)現(xiàn)陽極與陰極生物膜中Thauera（HN-AD菌）的相對豐度分別為75%、43%~74%，同時體系的NH4+-N、TN去除率分別達到了98%、95%。Zhang等構(gòu)建單室MFC處理人工高鹽廢水，發(fā)現(xiàn)單室MFC陰極生物膜中異養(yǎng)硝化菌的相對豐度達到了21.38%~46.90%，好氧反硝化菌的相對豐度為21.38%~62.41%，而整個體系的自養(yǎng)硝化菌相對豐度不足1%。總體而言，陰極接種污泥HN-AD菌OTU數(shù)量的增加對單室MFC的COD去除無顯著影響，對NH4+-N、TN的去除存在促進作用。
2.3 庫侖效率分析
S1、S2與S3實驗組的庫侖效率分別為（16.27±0.47）%、（10.81±0.45）%與（11.23±0.51）%。S2與S3組的庫侖效率相差不大，但是S1組的庫侖效率明顯高于其他兩組，這是由于短周期內(nèi)，S1組陰極很少有微生物附著，一方面體系對COD的消耗作用較�。涣硪环矫骊帢O好氧微生物對氧氣的爭奪作用較小，導致輸出電壓較高。即陰極接種污泥中HN-AD菌的存在會導致單室MFC庫侖效率的降低，但其OTU數(shù)量的增加對單室MFC庫侖效率影響不大。
3、結(jié)論
①相對于HN-AD菌OTU數(shù)量為0的空白組S1、HN-AD菌OTU數(shù)量為1500的實驗組S2，以HW2為陰極接種污泥、HN-AD菌OTU數(shù)量為7500的實驗組S3的脫氮效果最好，對NH4+-N和TN的去除率分別達到（90.13±2.55）%、（90.83±1.46）%。
②與S1和S2組相比，S3組亦有較好的產(chǎn)電性能。S3的最高輸出電壓為（0.4638±0.0181）V，略低于S1組與S2組；S1、S2、S3的產(chǎn)電周期分別為116、84、92h，開路電壓分別為640、618和614mV，最大功率密度分別為11.59、8.76和8.43W/m3，最大電流密度分別為56.35、45.23和41.26A/m3，內(nèi)阻分別為29.08、36.56和38.79Ω。
③S1組的庫侖效率明顯高于S2與S3組，達到了（16.27±0.47）%，而S2與S3組的庫侖效率相差不大。相對于S2和S3組，S1組的NH4+-N及TN去除效率最低，產(chǎn)電周期、最高輸出電壓、開路電壓及最大功率密度均最大。這表明陰極HN-AD菌的存在會抑制單室MFC的產(chǎn)電性能，但同時也會極大地增加系統(tǒng)的脫氮性能。另外，陰極HN-AD菌的OTU數(shù)量對COD的去除無顯著影響。（來源：重慶大學環(huán)境與生態(tài)學院，重慶大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，南昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院集團有限公司，中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司）
