微生物燃料电池同步降解偶氮染料与产电研究

微生物燃料电池（MFC）作为一种新概念废水处理技术，近年来受到了极大的关注。尝试将易降解有机物作为MFC燃料产电的同时作为共基质促进难降解有机物降解，有望开拓一条难降解废水处理新途经。本项目采用 "无PEM-空气阴极单室型MFC"和"生物阴极双室型MFC"，以偶氮染料-刚果红为特征难降解有机物，旨在探索易降解有机物共基质下：MFC同步降解偶氮染料和产电效率的特性；偶氮染料的降解途径及电子产生、传递与分配机制；偶氮染料降解与产电之间的相互影响与关联机制；生物型氧化还原介体对同步偶氮染料降解与MFC产电的作用机制；降解菌与产电菌群的微生态关系和调控策略等。为开拓MFC处理偶氮染料废水新途经提供理论基础。

尝试与易降解有机物共代谢的微生物燃料电池（MFC）产电与降解难降解有机物，有望开拓一条难降解废水处理新途经。本项目构建了 “无PEM-空气阴极单室型MFC”和“生物阴极双室型MFC”，以偶氮染料—活性艳红X-3B（ABRX3）和刚果红为特征难降解有机物，探索其与易降解有机物共基质下，MFC同步降解偶氮染料和产电的特性；偶氮染料降解途径及电子产生、传递与分配机制；偶氮染料降解与产电之间的相互影响与关联机制；氧化还原介体对同步偶氮染料降解与产电的作用机制；降解菌与产电菌群的微生态关系和调控策略等。结果表明， 以葡萄糖等为共基质，MFC能实现同步降解偶氮染料与产电，与传统厌氧反应器相比，MFC能2.7倍提高ABRX3脱色速率；同时，MFC产生约0.5 V可重复稳定电压。ABRX3浓度增加减缓脱色，但最终脱色率基本稳定。高浓度下脱色产物积累，抑制产电，但重新更换阳极溶液后产电性能可恢复到初始水平。葡萄糖是MFC同步脱色ABRX3与产电最佳共基质。低电阻能加速ABRX3脱色。悬浮污泥能加速ABRX3脱色并增大电能输出。电子介体能增强MFC同步脱色偶氮染料和产电。促进效果排序为：0.5 g/L腐植酸>0.5 mM核黄素>0.5 mM AQDS。刚果红更易于获取电子，脱色优先于产电。低浓度刚果红可作为电子介体增强电子由细菌到阳极的传递。高浓度会加剧消耗电子，增大阳极极化阻抗，可通过增加共基质浓度弥补电子损失。产电菌和染料降解菌共存于MFC阳极，脱色和产电主要依赖于阳极生物膜。偶氮染料在阳极厌氧生物还原，断裂偶氮键生成芳香胺，与传统厌氧生物降解偶氮染料途径一致。利用好氧生物阴极MFC对偶氮染料脱色液进一步降解与同步产电，能在12 h内去除ABRX3脱色液（DL）24.8% 的COD，主要为苯胺类衍生物，由生物降解作用完成。ABRX3脱色产物可作为介体增强电子由阴极到氧的传递，提升阴极电势，进而改善MFC产电性能。阴极悬浮污泥可以提升MFC产电性能，但对刚果红脱色影响较小。生物阴极添加铁锰能显著加速MFC启动，增大MFC功率输出，主要功能菌为锰氧化菌Leptothrix discophora和自养反硝化菌Uncultured Chlorobi bacterium。本研究丰富了MFC基础理论及其处理难降解有机废水应用基础研究内容，为MFC共代谢降解偶氮染料与产电技术奠定了基础。