基于微生物电化学系统废水处理技术的研究 96页

'浙江大学博士学位论文摘要近年来，微生物电化学系统(Bioelectrochemicalsystem，BES)在许多领域得到越来越广泛的关注。BES的应用研究主要集中在废水处理、生物传感器、电化学活性微生物的基础研究、温室气体减排和新能源的开发等领域。本论文以基于BES的废水处理技术为主线，开展了一系列的工作。首先，按照利用微生物燃料电池(Microbialfuelcell，MFC)阴极还原能力去除污染物的思路，开发了一种利用MFC阴极处理含六价铬电镀废水的工艺，并优化了操作参数。在以石墨纸为电极，pH=2的最优条件下，对含204ppm六价铬的实际电镀废水处理25小时后，六价铬和总铬的去除率分别达到了99．5％和66．2％。该工艺在脱铬的过程中能同步回收电能，其最大输出功率密度达到1600mW／m2。电极表面沉积物的X射线光电子能谱分析结果表明六价铬和总铬是以三氧化二铬沉积的形式去除的。然后，按照MFC阴阳两极协同处理废水的思路，开发了MFC与厌氧／好氧工艺(A／O)相结合的新型A／O—MFC集成系统，并将其用于处理含刚果红的染料废水。参数优化实验结果显示，作为碳源和电子供体的葡萄糖浓度为1000mg／1，水力停留时间为14．8小时是最佳条件。在此条件下，COD和色度的去除率可以分别达到92．7％和94．1％，电能输出功率密度为552mW／m2。紫外可见分光光度全波扫描和气相色谱．质谱的分析结果表明MFC阳极能破坏偶氮键；阴极能进一步降解厌氧过程中产生的芳香胺。为了使BES系统更适于废水处理的实际应用，解决传统空气阴极单室MFC的不足，开发了溢流降膜式反应器。利用反应器中流态的特点，该型反应器能有效抑制氧气的扩散，提高无膜MFC的库伦效率。在最优条件下，该反应器能输出的最大功率密度为18．21W／m3，最高库伦效率可以达到39．5％。在此基础上，基于层流微流态BES构建了一种利用层流来分隔阴阳两极的无膜MFC，并初步考察了其产电性能。极化曲线测试结果显示该无膜MFC可以输出的最大功率密度为378．13W／m3。这种基于层流微流态装置的BES还被进一步用来作为测试短期化学冲击对电化学活性微生物Geobactersulfurreducens活性Ⅱ 浙江大学博士学位论文摘要III影响的研究平台。结果显示：二硫蒽醌可以有效提高Gsulfurreducens的产电性能；短时间的氧气冲击不会对其造成不可逆的损害。在优化工艺和MFC反应器的基础上，开发了一种以电化学活性微生物为计算核心的逻辑与门作为对其实行智能控制的基础元件。该逻辑与门以恒电势三电极BES为平台，Pseudomonc塔areuginosaPAl4lasI／rhlI双变异体为核心，两种群感效应分子为输入信号，通过群感层级系统调控电子介体的产生，最终实现对输出信号．电流．的逻辑控制。在此基础上，进一步以MFC为平台，成功开发了基于同样原理的自供电无需外供能量的逻辑与门。该部分工作为将来实现对废水处理工艺和装置的准确、原位、实时监测提供了理论支持和新的思路。关键词：微生物电化学系统，微生物燃料电池，恒电势三电极体系，废水处理，逻辑门，微流态 浙江大学博士学位论文AbstractBioelectrochemicalsystems(BESs)aregainingincreasingattentionsinmanyareasforthepastfewyears．ThetwomainapplicationsofBESare：wastewatertreatment,biosensor,aresearchplatformforelectrochemicallyactivebacteriastudy，greenhousegasreduceandbio-energyproduction．TheworkpresentinthisthesisfocusesoninnovationsinBESbasedwastewatertreatment．Firstly,weexploitedthereducingpowerinthecathodechamberofamicrobialfuelcell(MFC)totreatCrcontainingeleetroplatingwastewater．Theoperationparametersareoptimizedtoimprovingboththetreatmentefficiencyandoutputpowerdensity．Arealelectroplatingcontaining204ppmC，wastreatedinthissystemwithagraphicpaperelectrodeatpH=2．11125h，99．5％Cr6+and66．2％totalchromiumwereremovedundertheoptimizedcondition．ElectricalpowercouldberecoveredsimultaneouslywithremovingCr．Amaximumpowerdensityof1600W／m2couldbeproducedinthisprocess．ThemechanismofchromiumionremovalWasalsostudiedinourwork．ByanalyzingthedepositiononthecathodesurfacewithX—rayphotoelectronspectroscopy(xas)，wefoundchromiumionWasremovedintheformofCr203．TotreatwastewatercontainingrefractorypollutantbytakingadvantageofbothanodeandcathodeinBES，wedevelopedananaerobic-aerobic(a／o)sequentialreactorandMFCcoupledsystem(a／o-MFC)．AnaZOdye(Congored)containingwastewaterWastreatedintheA／O—MFC．1000m鲋glucoseandahydraulicretentiontimeof14．8hweredeterminedasthebestoperationalcondition．Undertheoptimizedcondition,theCODandcolorremovalcouldachieve92．7％and94．1％，respectively．SimultaneouslywithaT．Odyeremoval，themaximumpowerdensityproducedinthisprocessWas552mW／m2。TheUV—visandGC．MSresultsindicatedthattheazobondcouldbecleavedintheanodechamberandtheaminecompoundproducedintheanodechamberWasremovedinthecathodechamber．IV 浙江大学博士学位论文Furthermore，tomakeBESmoresuitableforindustrialapplicationandovercomethedisadvantageofconventionalmembrane—lessMFCs，wedevelopedallover-flowtypewettedwallMFC(WWMFC)．Thenewdesigncouldefficientlyeliminateoxygendiffusionfromcathodetoanodeandthusresultinginhighcolumbicefficiency．Undertheoptimizedoperationalcondition，themaximumpowerdensitywas18．21W／m3andthehighestcolumbicefficiencyachievedin、)lnⅢFCWas39．5％．BesidesWWMFC，wedevelopedlaminarflowmicrofluidicdevicebasedmembrane—lessMFCbytakingtheadvantageoflaminarflowinmicrofluidicchanneltoseparateanodeandcathode．ThemaximumpowerdensitycanbeproducedinthisreactorWas378．12W／m3．ThelaminarflowmicrofluidicBESWasalsousedtostudytheimmediateeffectofshorttermchemicalshockonmicrobialelectrochemicalactivityinwastewatertreatmentprocesses．ImmediateresponsesofGeobactersutfurreducenselectrochemicalactivitiestosixdifferentchemicalstimuliweretestedinthisdevice．TheresultsindicatedttlatanthraquinonedisulfidecouldshuttleelectronsbetweenG．sulfurreducensandtheelectrodeandshorttermexposuretooxygenwouldnotcauseirreversibledamagetoG．sulfurreducens．TologicallycontrolBESbasedwastewatertreatmentprocessesandreacrors，wedevelopedanelectrochemicallyactivebacteriabasedlogicANDgate．ThelogicANDgateWasbuiltwithinapotentiostaticallycontrolledthree-electrodesystem．Pseudomonas．aeruginosaPAl4lasI／rhlldoublemutantwaschosenasthecorepartofthelogicANDgate，twoquorumsensingsignalmoleculeswereusedastwoinputsignals．Thesetwobiochemicalmoleculeswereprocessedthroughthequorumsensingcascadesystemandwereeventuallyconvertedintoaclearelectriccurrentsignalbylogicallycontrollingtheelectronshutterproduction．Inaddition,thesamelogicANDgateWasoperatedinMFCmode．Thismadethelogicgateaself-poweredbiosensor．Thisworkcouldbeavaluableexampleforaccurate，／n-s／tuandreal—timemonitoringBESbasedwastewatertreatment．V 浙江大学博士学位论文AbstractKeywords：bioelectrochemicalsystem,microbialfuelcell，potentiostaticaUycontrolledthree—electrodesystem，wastewatertreatment，logicgate，microfluidieVI 浙江大学博士学位论文致谢在五年有余的博士生阶段即将结束的时候，我希望在我的博士论文中对所有在段日子中帮助、指导过我的导师、同事、家人表示感谢。首先，我想感谢我的导师雷乐成教授。他严谨求是、敢于创新的科研态度让我受益匪浅。本课题从立意到具体方向的确定并最终成文，当中都倾注了他大量的心血和付出。同时，他开明民主的工作作风以及对学生的理解和支持使得这五年的学习工作成为我人生中一段非常愉快、收获颇丰的经历。其次，我也要感谢我在康奈尔大学两年的工作学习期间的导师，Dr．LargusT．Angenent。他认真严谨，追求完美的工作态度和勇于探索的科学精神使我深受感动。再次，我也要感谢张兴旺副教授和在康奈尔大学学习期间直接指导我工作的Dr．MiriamA．Rosenbaum．没有他们认真负责的工作、手把手的指导和无数次细致深入的讨论，我在博士期间就不可能获得这些成果。同时，我也要感谢我的父母，感谢他们一步一步陪伴我完成学业，给我不计任何回报的支持和帮助。最后我也要感谢所有在科研工作上给我支持，在生活上给我帮助的同事：戴启洲、郝小龙、古励、张轶、李小娟、苏亚玲、沈拥军、辛青、韩松、陈琳、顾荷炎、傅坚亮、张建灵、史念、黄燕、姚敏、黄亮、林君、刘贤君、李宇、王小平、刘鼎等。因为你们我的科研工作才不会那么枯燥，没有你们的帮助我的博士生活不可能这么丰富多彩。我也要感谢在康奈尔大学期间一起工作过的同事：ArvindVenkataraman,MichaelaTerAvest，ElliotFriedman，Jos6MiguelPerez，DevinDou也HannoRichter，JeffWemer，MattAgler,WeiZhang等。感谢你们让我在两年的留学生活中学习到了许多新的知识，让这两年成为我一段非常美好的回忆。 浙江大学博士学位论文绪论1绪论1．1课题背景环境与能源问题日益成为全球关注的焦点问题。环境保护关系到人类的生存和繁衍而能源问题则事关现代文明社会的可持续发展。引起两个问题的深层次原因都是人类社会发展过程中对自然资源的野蛮开发和无序利用。从科学的角度来看，环境和能源问题之间也存在着千丝万缕的联系。很多情况下，环境污染是由于资源的错置所造成的。因此，现在越来越多的环境保护工作者和研究人员开始意识到实现从污染物中回收资源或者回收能源是解决环境问题的正确思路。而本论文则从这个思路出发，着重阐述利用微生物电化学系统(BioelectrochemicalSystem，BES)实现从废水处理中回收电能的研究。主要内容包括基于BES的废水处理技术的开发以及构建基于电化学活性细菌的逻辑门元件和微生物电化学活性评价平台来对前述工艺进行优化和控制。1．2微生物电化学系统的分类及定义BES是利用生物催化剂来催化电极表面的氧化与／或还原反应的体系【l】，在本论文中生物催化剂主要是指能够通过细胞膜上蛋白质／结构或可溶性电子介体将电子传递链中的电子传递到固体电极的细菌。BES根据在整个过程中是净输出电能还是净输入电能可以划分为微生物燃料电池(MicrobialFuelCell，MFC)和微生物电解池(MicrobialElectrolysisCell，MEC)。理论上来说，在BES中，电极电势由发生在电极表面的氧化还原反应的氧化还原电势所决定。不同反应的氧化还原电势可以用如下的氧化还原电势塔表示(图1．1)．从电极反应电势角度来看：1)当在阴极表面上发生的还原反应的电势与在阳极表面发生的氧化反应的电势差值大于O，其对应的吉布斯自由能(△Go’)小于0，反应能自发进行对外输出电能。该条件下的BES为MFC；2)当在阴极表面上发生的还原反应的电势与在阳极表面发生的氧化反应的电势差值小于0，其对应的吉布斯自由能(AGO’)大于0，反应不能自发进行而需要外加能量，即输入电能。该条件下的BES为MEC。1 浙江大学博士学位论文绪论1．2．1MFC的工作原理MFC通过将能利用固体电极做为电子受体或电子供体的微生物作为某些氧化还原反应的催化剂，并利用不同氧化还原反应之间自然存在电势差来产生电能。氧化反应发生在阳极表面。电化学活性微生物能利用诸如乙酸【31、葡萄糖【41、乳酸【51等有机物作为电子供体。这些有机物最终通过新陈代谢过程被氧化为二氧化碳和水或其他氧化产物。而在这个过程中，细胞内的电子传递链中的电子最终被传递到细胞外的固体电极上。在电子从低电势到高电势的传递过程中产生的ATP被用以满足微生物自身代谢所需。电子从微生物传递到电极之后进而通过外电路传递到阴极。在阴极表面的电子受体如氧气，铁氰化钾等接收电子而被还原。在2 浙江大学博士学位论文绪论使用质子交换膜或阳离子交换膜的情况下，阳极微生物在氧化有机物过程中产生的质子或者其他阳离子迁移到阴极表面，在使用阴离子交换膜的情况下，阴极室内的阴离子迁移到阳极附近，从而形成完整的电流回路(图1．2)。除了在阳极表面用微生物催化有机物的氧化反应，近年来，研究人员通过在阴极上生长微生物从而达到催化阴极表面还原反应的目的【6】。由于加入了微生物催化剂，降低了某些反应的能垒，使得原先在阴极上无法发生的还原反应得以进行[71。ResistorAnodeCathodeMembrane02+4H+2H20图1．2MFC工作原理Figure1．2TheprincipleofMFC1．2．2IVIEC的工作原理当在阴极表面上发生的还原反应的电势与在阳极表面发生的氧化反应的电势差值小于0时，则需要输入电能以使阴阳两极表面的反应同时发生。通过施加外加电能，阳极电势变得更“正"，能够氧化某些电子介体或者细胞膜上的细胞色素c，从而使得微生物能够利用阳极作为电子受体而进行呼吸。与此类似，在外加电源的作用下，阴极电势往更“负’’的方向偏移，使得原本在阴极表面无法发生的还原反应得以进行。在使用生物阴极的情况下，通过外加电源的作用使得阴极电势在向负方向偏移后，能够满足作为阴极微生物电子供体的要求。因而，3，；、，、√^¨Ⅳ。7，?}i、I奄。．，，，＼＼／，一L一。。mH0n∞巩．暑砌谢勖HD州∞ 浙江大学博士学位论文绪论阴极微生物能够使用固体电极作为电子供体，水中的某些离子作为电子受体而进行呼吸(图1．3)。基于此原理，通过还原某些物质将其转变为经济价值更高的产品，MEC开始被用以合成某些化工产品⋯01。这样的过程被称为生物电化学合成(MicrobialElectrosynthesis)。MembraneC02+H20CH，COOHioflm图1．3MEC工作原理Figure1．3TheprincipleofM[EC1．2．3M3C的工作原理由于产电微生物利用电极作为电子受体，而电极接收电子的能力与电极电势直接相关，因此电极电势对于产电微生物的代谢起着相当重要的作用。然而在MFC与MEC中由于电极材料，反应器构造，电解液的组成等因素，电极电势无法保证恒定。同时随着生物膜的逐渐形成和微生物活性的变化，阳极电势呈现连续变化的趋势。为了使不同的实验数据之间有可比性，必然要在BES中创造一个恒定的电化学环境即控制电极电势恒定。基于着这种原因，研究人员开发了M3C系统。由于在M3C中加入了电势相对恒定的参比电极，同时恒电势仪可以实时监测工作电极与参比电极之间的电势差，当该电势差偏离设定值时，恒电势仪可以控制工作电极与对电极之间的补偿电流来控制工作电极电势相对参比电极的恒定，因此在M3C中工作电极的电势可以被很精确地控制在一个水平。同4 浙江大学博士学位论文绪论时在这种体系中通过监测恒电势仪产生的补偿电流的大小也可以来监测产电微生物的产电性能的变化。因此M3C逐渐成为研究电化学活性微生物的有力工具和测试平台(图1．4)。Potent；ostat●Reducedelectronmediator●OxidizedelectronmedmorMtcmorlPmismReducta图1．4M3C工作原理Figure1．4TheprincipleofM3C1．3微生物电化学系统中电子传递机理的基础研究BES中细菌与电极之间的电子传递是该领域研究的核心内容。然而直到目前为止，该机理还不明确，尤其是以电极为电子供体的细菌是如何从固体电极获得电子的机理还存在着多种争论。本论文主要论述以电极为电子受体的细菌与电极之间的电子传递机理。该类型的电子传递有两种主要形式：1)间接电子传递，细菌通过溶液中的可溶性的电子介体传递电子；2)直接电子传递，通过细胞外膜上的某些蛋白质(细胞色素c)，纳米导线(Nanowire)，鞭毛等细胞结构与电极直接接触而进行电子传递【l¨。以下将加以具体论述。 浙江大学博士学位论文绪论1．3．1经可溶性电子介体的电子传递由于电化学活性微生物表面的氧化还原活性中心通常被包裹在蛋白质中，这种结构使得电子从细菌到电极传递过程的过电势较高。因此一种能够被微生物和电极多次氧化还原的可溶性化学物质可以有效地加速细菌与电极之间的电子传递过程。这种物质便是电子介体。电子介体通常具有如下特性：1)水溶性好；2)分子量小；3)性质稳定，能够被多次氧化还原；4)生物相容性好，无生物毒性【12】。电子介体的加入和积累能够有效地提高BES的电能产生效率，降低电极表面反应的过电势。BES中常见的电子介体可以分为两大类：1)外源性电子介体，是指那些细菌不能自身合成的电子介体。例如硫堇[131、腐植酸及其类似物‘14舶】、半胱氨酸【17】等。外源性电子介体对电子的中介传递作用通常不具有特异选择性，即同一种电子介体能够对多种细菌与电极之间的电子传递具有中介作用。在MFC中加入该类外源性电子介体被证实的确可以提高产电性能[18"捌。然而这类外源性电子介体通常具有环境毒性而且投加外源性的电子介体会提高成本，因而电子介体无法大范围在BES中应用。2)与外源性电子介体相对应的是内源性电子介体。所谓内源性电子介体是指，由微生物自身代谢产生的电子介体。在BES研究中，被研究最多的内源性电子介体是吩嗪类物质和黄素。吩嗪类物质是一种广谱抗菌素，主要由假单胞属细菌(Pseudomonas)产生[201。假单胞细菌产生的天然吩嗪类电子介体主要有4种，分别是：pyocyanin(PYO)，phenazine-1一carboxylate(PCA)，phenazine·1一carboxamide(PCN)和1-hydroxyphenazine(1．OHPHZ)[2¨。Rabaey等人发现在MFC的阳极中PYO和PCN可以有效得提高从细菌到电极的电子传递速率。在利用不能产生吩嗪类物质的变异体做对比实验后发现，变异体仅能产生相当于正常细菌5％的电能【221。Pham等人也发现在仅接种Brevibacillus细菌的MFC中加入能够产生PCN的Pseudomonas细菌能够大大提高MFC的产电性能【231。Venkataraman等人利用通过群感效应来控制Pseudomonasaeruginosa的吩嗪类电子介体的产生量来控制电化学体系的电流输出【241。在对Shewanella属细菌电子传递机理的研究中，研究人员发现了黄素(flavins)也是一种重要的内源性的电子介体【25,26]。Marsili等人发现黄素可以将Shewanella细菌到电极的电子传递速率提高70％左右【261。6 浙江大学博士学位论文绪论1．3．2细菌到固体电极的直接胞外电子传递除了利用可溶性的电子介体进行电子传递的细菌之外，还有一类细菌可以利用组成细胞膜的蛋白质或者细胞膜上的特殊结构，比如Nanowire，进行直接胞外电子传递(EET)。能进行直接电子传递的细菌中最为常见是Shewanellaoneidensis和Geobactersulfurreducens两种细菌。在Shewanellaoneidensis的细胞外膜上存在一种C型细胞色素．MtrC蛋白，它可以与细胞外膜上的另一种细胞色素蛋白OmcA形成二聚体。这种二聚体被认为是电子从细菌直接传递到固体电子受体表面过程中最为关键的电子载体【271。而在Geobactersulfurreducens细菌的直接电子传递过程中，细胞色素蛋白也起着重要的作用。相比于&oneidensis，Geobactersulfurreducens的胞外直接电子传递则要复杂一些。根据最终电子受体的不同，细胞外膜的有效色素蛋白也会不同。其中主要有OmcE和OmcS蛋白形成的组合，OmpB和OmpC蛋白形成的组合以及OmcB蛋白【11，2¨01。前两种酶组合都已经被证实为电子从细胞到固体电极或三价铁离子的有效电子介体【30，311。而OmcB则被证实为还原三价铁的有效电子介体【321。这几种细胞外膜上的酶组合单独或共同作用实现电子从细胞到最终电子受体的传递。1．4微生物燃料电池技术的研究MFC是指一种以微生物作为催化剂将化学能转化为电能的系统【l¨。在化学燃料电池概念提出的70年后，Potter在1911发现了酵母在分解葡萄糖的同时能够产生还原电势，并利用这种还原电势搭建了一个简单的电池来产生电流【331。1964年Berk和Canfield将R．rubrum与蓝藻相结合，搭建出了第一个真正意义上的微生物燃料电池【蚓。1965年Vanlaees利用甲烷作为电子供体，空气作为电子受体搭建了一个以Pseudomonasmethanica作为生物催化剂的燃料电池【351。此后，随着在生物技术与工程领域的一些突破，MFC技术有了长足的进步。尤其是在2000年以后，MFC的发展引起了生物新能源与生物水处理领域的研究者的关注。因为MFC技术为从废水处理中回收能源，降低污水处理成本提供了可能。7 浙江大学博士学位论文绪论1．4．1微生物燃料电池电极材料的改进电极材料的改进是微生物燃料电池领域中的一个重要研究方向。相对与化学燃料电池，在微生物燃料电池中，电极材料的生物相容性是一个必须考虑的因素。碳材料无论从生物相容性，导电性还是经济性方面考虑无疑都是阳极材料的最佳选择【36。391。对碳材料表面进行改性和修饰能有效得提高微生物附着性能从而提高整个微生物燃料电池的产电性斛40-42]。除了单纯的碳材料及基于碳材料的修饰改性材料以外，利用碳纳米管或者碳黑与聚苯胺、聚苯烯腈、聚吡咯等聚合物形成的化合物制作电极也是一个研究热点【43‘47】。由于金属材料在电解质溶液中的腐蚀问题以及有些重金属可能存在的生物毒性，金属材料很少运用于生物阳极，只有少数非常稳定金属或者合金可以做为生物阳极材料【48，491。但是随着软光刻技术大量被使用在搭建微型微生物燃料电池中，金材料在毫升乃至微升级别的微生物燃料电池被广泛地用作阳极材料[3,50-52】。在阴极材料的改进方面，研究者的重点主要集中在催化剂的创新方面。由于大量的微生物燃料电池阴极上的反应是氧气的还原反应，所以铂一类的贵金属被大量应用于实验室的研究中【531。但是传统的贵金属催化剂由于其成本高限制了其在实际中的应用。为了提高阴极催化剂的经济性，一些廉价的催化剂比如二氧化铅‘541，钴卟啉，铁酞菁f551，二氧化锰参杂铯或某些过渡金属[56】被用以取代贵金属。同时新的制备手段比如在高真空环境中，利用电子轰击金属使之气化并使气态金属在电极材料表面沉积形成催化剂层的手段在电极表面沉积铂，在保证催化性能的情况下大大降低铂的用量从而降低了电极制造的成本‘57,58】。1．4．2徼生物燃料电池反应器构造的改进微生物燃料电池构造的关键点在于保持阴阳两级氧化还原电势最大的情况下使电极间离子传递阻力最小。目前为了达到上述目的可以1)使用膜材料，如阴阳离子交换膜和质子交换膜；2)无膜反应器，通过控制反应器中的电子受体的传质速率，反应速率等因素来维持阴阳两极的氧化还原电势差。使用膜材料来分隔阴阳两级的典型反应器构造为实验室中最广泛使用的H型双室微生物燃料电池【59，删。但是由于这种构造的膜面积与反应室体积的比例8 浙江大学博士学位论文绪论过小，使得离子在阴阳两极间传递阻力过大，其宏观表现为该型微生物燃料电池的欧姆内阻较大。同时由于H型反应器的构造特点，阴阳两极的间距增大这也在一定程度上增加了电池的内阻。基于上述原因，H型的双室微生物燃料电池只适合在实验室中用于基础研究。为了使这种双室微生物燃料电池更加适合于实际应用，平板式微生物燃料电池被开发出来。相较于H型的双室反应器，平板式反应器通过增加膜面积和减少电极间距有效地降低了电池地内阻从而提高了产电效率【611。为了进一步有效地扩大电极面积并减少反应器的占地面积进而使得微生物燃料电池技术在实际应用中更容易地实现工程放大，圆筒型反应器成为适合实际工程应用的反应器形式。圆筒型反应器最为常见的结构是由内外两个同轴的圆筒构成，阴阳两极分别置于内外筒。这种形式的反应器便于在圆筒中填充颗粒状的阳极材料和生物载体。由于圆筒型的结构使得阴阳两极间的距离分布均匀，不易出现死角，可以有效得使阴阳两极的效率发挥到最大。由于碳材料的生物相容性和导电性，颗粒状的碳材料是这种形式反应器最佳的电极材料选择‘39,62,63】。圆筒型反应器的另一种结构形式为，阴阳两极上下置型。这种反应器形式通过采用升流式的流态形式使其具有了UASB反应器的部分优点：1)污泥沉降性能好；2)污泥停留时间长；3)反应器体积小等优点。He等人通过利用这种反应器形式，将空气阴极置于填充了玻璃碳材料的阳极上方，当中通过质子交换膜分隔。在利用从厌氧发酵反应器中获得的混合菌作为生物催化剂，以蔗糖为碳源获得了170mW／m2的功率密度。但是由于电极间距离较大使得这种形式的反应器内阻较大【641。单个微生物燃料电池由于受微生物代谢速率、胞外电子传递速率等诸多因素的制约，电能输出密度过低一直是制约其在实际中应用的最大瓶颈。解决该问题的最为简便的方案是将多个微生物燃料电池通过串联并联组成电池组，从而提高其电流和输出功率密度。双极板式微生物燃料电池就是一种为了使多个电池串联成电池组时减少利用金属导线而产生的电阻而开发出来的一种反应器形式。其结构特点为电池A的阴极与电池B的阳极通过一块导电性好的金属板连接，形成三明治形式的电极连接【651。这种电极连接形式与传统的用导线连接形式相比电极间连接面积大，连接点电阻小。9 浙江大学博士学位论文绪论对于无膜反应器，目前主要是结合空气阴极使用。空气阴极通过控制扩散层的厚度或者材料以达到控制空气中氧气向电极被动扩散的速率【删。最佳的氧气扩散速率应该为与阴极上氧气的还原速率相同，以保证不会产生类似于浓差极化的现象。但是在实际的应用中，氧气的扩散速率往往大于氧气在阴极上的还原速率，因此多余的氧气有可能向阳极扩散从而造成库伦效率的下降。“u等人发现去除膜分隔之后，在同样的装置中，库伦效率会下降31％--．．43％[671。为了解决空气阴极反应器的这个问题，通常在单室反应器中通过控制流态来创造平推流或设置挡板和其他类型的减缓氧气扩散的材料【68,69]。有膜双室反应器因阴阳两极的环境比较稳定，比较适合于用于实验室中的机理研究。而利用空气阴极的单室无膜反应器由于其内阻小，无需使用昂贵的膜材料等特点适合工程放大和实际应用。除了上述以实现反应器放大为最终目标的研究方向外，另一个重要的研究方向是微生物燃料电池的小型化。小型化是指开发毫升级乃至微升级的反应器。微型微生物燃料电池具有相比于实验室级别反应器更高的输出功率密度(660．4400mW／m2)【52，70,711。由于更高的功率输出密度和便携的尺寸，使得利用这种微型微生物燃料电池来驱动小型电子仪器或者传感器成为了可能。微型MFC由于其尺寸的限制，常规的工艺无法实现装置的组装和运行。目前最为常见的微型MFC制造工艺是软光刻技术(SoRPhotolithography)。反应器通道材质主要有聚二甲基硅氧烷(PDMS)[51,72]、光刻胶(SU．8)【5川和单质硅[731。由于微型MFC的尺寸通常毫米至微米级别，在以连续流的形式来运行微型MFC的情况下，反应器中的流态通常呈现层流形式。因此，微型MFC具有了一部分微流态反应器的特性，比如速度分布，流场流态分布都是可以预测的。微型微流态MFC因其尺寸和流态的特点除了能输出更高密度的功率外，还具有：1)较短HRT，2)均一的电化学环境，3)受传质等因素影响较小等特点。目前越来越多的研究开始利用微型微流态的MFC来作为研究电化学活性微生物的研究工具。Biffinger等人利用微型MFC来作为一种高通量的电化学活性细菌的筛选工具。他们的装置基于MFC的原理，细菌的输出电流和电压就成为一种便于记录和测量的输出信号。lO 浙江大学博士学位论文绪论他们进一步利用这个平台测试了&oneidensisMR．1对8种不同的碳源响应情况【70]o表1．1几种常见MFC产电性能的比较Table1．1thecomparisonofpowerproductionbetweendifferenttypesofMFCs1．5微生物燃料电池在废水处理中的应用由于MFC能将废水中的有机物转化为电能，而被认为是一种环境友好，可持续的废水处理新工艺[741。近年来MFC更进一步被开发为在处理废水的同时能降低温室气体(二氧化碳)排放的技术‘751。MFC的阳极中微生物能够将有机物降解，并将电子传递给电极。废水中所含的有机物主要是以碳源和电子供体的形式被厌氧微生物利用，阳极微生物以阳极为最终的电子受体。因而，有机废水中所含的有机物能否被微生物利用成为废水能否被有效处理的关键。能被阳极微生物利用的常见有机物有：乙酸[761，葡萄糖H和乳酸【771。利用MFC阳极处理的废水主要是含有易生物降解有机物的废水，例如：市政废水【611，养殖废水【7引，酿造废水例，造纸废水【801等。由于应用于废水处理领域的MFC通常使用混合细菌来做为阳极产电微生物。所以，阳极室中除了产电细菌外还会有一些厌氧发酵细菌。由于这种混合菌群的存在，一些原本不能被产电微生物利用的有机物(纤维素，玉米秸秆等)在经过厌氧发酵之后被降解为可以为产电微生物利用的常见碳源【龇彤】。除了上述常见的含碳有机物可以做为电子供体外，废水中常见的硫离子也可以做为电子供体[84-86]。 浙江大学博士学位论文绪论与MFC阳极作为电子受体相对应的是，MFC的阴极能作为电子供体。具有较高氧化还原电势的化学物质在阴极表面接受电子而被还原。通常情况下(以乙酸钠，葡萄糖等常见碳源为底物，pH接近中性)阳极的开路电势通常在．400"-．700mV(vs．SHE)左右，理论上氧化还原电势高于这个数值的反应都可以在阴极表面发生并利用电极作为电子供体。但是由于受电极表面过电势的影响，到目前为止只有少数的污染物可以在阴极表面被还原而达到去除的目的。常见物质有重金属类，比如铬离子【3引，铜离子【871，矾离子‘8引，含氯有机物，如对氯酚‘891。然而对于某些污染物，其在阴极表面的还原反应具有较高活化过电势，需要有效的催化剂来降低反应的能垒，从而使得该种污染物的还原反应能够在电极表面发生。“等人利用金红石做为阴极表面的催化剂使得六价铬离子在阴极表面得以有效的还原，并利用金红石的光催化特性使得铬离子的还原速率提高1．6倍【恻。但由于MFC中阴极电势受阳极微生物氧化还原电势的制约，阴极的电化学还原能力较弱。所以常规的电化学催化剂依旧不能达到降解大多数难还原污染物的目的。基于此原因和常规MFC阴极良好的微生物相容性，越来越多的研究利用微生物做为生物催化剂，通过构建生物阴极来达到降解污染物的目的。这些电化学活性的微生物能够利用阴极做为电子供体而利用污染物做为电子受体，从而达到在新陈代谢的过程中还原污染物而获得ATP。该原理被用在MFC生物阴极脱氯的工作中。三氯乙烯，一种广泛使用的工业溶剂，在以混合菌种做为生物阴极的MFC中得以有效得降解为乙烯【6，911。除了脱氯之外，脱氮也是生物阴极一个非常重要的应用。在脱氮微生物的催化作用下，硝酸根可以被还原为氮气而最终从废水中除去【921。但是到目前为止，阴极微生物是如何依靠阴极获得电子的机理还不清楚。三种较为可能的电子传递机理为：1)电极通过还原微生物细胞膜上的细胞色素c从而将电子“泵”入电子传递链；2)电极表面通过电化学反应生成氢气，然后微生物通过利用氢气来获得电子；3)经由细胞色素c的直接电子传递和经由氢气的间接电子传递的结合【931。由于对应于典型双室MFC的阴阳两极上发生反应的氧化还原电势不同和可以被用作生物催化剂的微生物种类不同，阴阳两极可以协同作用来降解污染物。对于大多数实际废水而言，废水中通常同时含有可以被微生物做为碳源和电子供12 浙江大学博士学位论文绪论体的有机物和含氮离子(硝酸根或氨根离子)。因此利用MFC的阳极来去除含碳有机物并同时利用该过程中产生的电子在阴极室中将硝酸根还原为氮气，而氨根离子可以通过外置或集成的硝化过程首先转化为硝酸根进而最终在生物阴极的作用下去除‘94，951。偶氮染料由于其复杂的结构(偶氮键，芳香环)，传统的生物处理法需要厌氧好氧微生物协同处理才能达到较好的处理效果。而传统双室MFC阴阳两极的厌氧好氧环境为集成传统的偶氮燃料生物反应器和MFC提供了可能。通过构建连接阴阳两室的通路，首先利用MFC阳极中的厌氧微生物来破坏偶氮键，进而利用阴极室中的好氧微生物来降解芳香环部分。通过阴阳两极的协同最总可以有效地达到降解偶氮染料的目的【961。1．6徼生物燃料电池在生物传感器领域的应用在MFC中，输出的电流值是直接反映微生物活性的一个指标。而微生物的活性又直接或间接地受阳极液中有机碳源的浓度(以BOD，COD为指标反映)，环境因素(如溶解氧，pH，温度等)的影响。因此，MFC传感器是指以上述因素为输入信号，通过微生物的新陈代谢过程将输入信号转变为电流信号并输出的生物传感器。MFC生物传感器相比于传统的酶传感器具有：1)寿命长，微生物可以实现自我复制繁殖。理论上如果环境合适，传感器可以自我更新，无数次重复使用；2)对环境要求不高，酶传感器对环境敏感，比如pH值，温度等因素只能控制在很小的范围内，超出该范围后传感器的性能将急剧下降。但是由于微生物对环境的适应能力相比于酶更强，因此使得MFC传感器的应用范围得到了大幅的提高，而操作的难度则大幅下降。3)成本低，MFC传感器以细菌为感应核心，其成本低于酶传感器。再考虑到使用寿命的因素，MFC传感器的经济性要远远好于酶传感器。4)以电流为输出信号，电流信号便于采集，通过设定阈值可以直接转换为数字信号，这将大大简化后续信号的处理和与控制元件的通讯。目前MFC传感器主要用于感应有机碳源的浓度。其原理为有机碳源与电化学活性细菌的新陈代谢速率在一定的范围内呈现良好的相关性，而新陈代谢速率又与电流的大小直接相关。因此MFC传感器可以被用来测量水中由有机碳源(乙酸[971、乳酸‘9羽、葡萄糖【99·1∞】等)引起的BOD和COD。MFC传感器还被迸一步 浙江大学博士学位论文绪论用来测定实际废水中的BOD和COD。尽管实际废水中成分的多样而且不确定，MFC传感器的输出和输入信号之间在一定的范围内还是存在良好的相关性，这也反应出MFC传感器感应和处理信号的鲁棒性【101】。除了用以分析BOD、COD，MFC还可以用以感应水中的溶解氧浓度。由于溶解氧是良好电子受体，同时对于某些严格厌氧产电细菌来讲，氧气对其有一定的毒害作用。因此氧气会影响电化学活性微生物的产电性能。通过记录和分析这种由氧气引起的产电性能的变化，可以间接感应甚至测定溶解氧的浓度[97】。尽管MFC感应器相较于传统的传感器有上述的优点。但是由于MFC传感器的信号处理过程是由新陈代谢所控制，因而其处理速度慢，响应时间长(5分钟．10小时)[102】。表1．2概括了各种MFC传感器的应用及其性能：表1．2MFC传感器的应用及其测量范围Table1．2TheapplicationsofMFCbasedbiosensorsandtheirmeasuringrange1．7恒电势三电极体系的在生物电化学领域的应用电化学活性微生物能够利用固体电极作为电子受体或者电子供体。而电极电势则成为控制电子在电极与微生物之间传递的一个重要参数。为了研究产电微生物的产电性能或者代谢特性，一个稳定的电化学环境(主要由电极电势控制)成为重要的控制因素。三电极体系(工作电极，参比电极，对电极)和恒电势仪的组合使用能精确地控制所需电极的电势。因此，M3C开始被广泛地应用在电化学活性微生物的研究领域。该体系的工作原理示意图如图1．4所示。14 浙江大学博士学位论文绪论由于通过该体系可以控制阳极电势的恒定，因而为研究其他因素(如：电极材料、溶解氧浓度等)变化对产电微生物的生长及产电性能的影响提供了更加精确的环境。“u等人利用M3C研究了不同几何结构的金电极上G．sulfuureducens生物膜的生长情况[1051。Venkataraman等人在M3C中研究了群感效应对P．aeruginosaPAl4的产电性能的影响。在常见的MFC体系中，阳极电势受阴极性能和外接电阻大小的直接影响，同时电解液的电导率，膜材料的跨膜电阻等因素也会间接影响阳极的电势。因此，如果采用传统的MFC体系来进行上述研究，各个影响因素的误差会相互叠加增殖从而影响最终结果的准确性。而采用M3C，恒电势仪通过自动控制补偿电流从而规避了上述不确定因素对结果的影响。这点从Li等人的研究也得到了证实。“等人利用生物电化学系统来构建逻辑与门，通过对两组分别基于MFC和M3C的与门信号输出的比较分析发现：基于M3C的与门输出信号更加清晰、误差更小【106】。因此，M3C是研究电化学活性微生物生长和产电特性的有效工具。1．8关键科学问题1．目前的MFC研究主要集中在如何利用阳极室微生物来降解有机废水。几乎很少有研究考虑利用阴极室的还原能力来处理废水。2．MFC的阴阳两极通常被作为两个单独的部分被应用于废水处理中。但是，阴阳两极具有各自不同的特点和性能，如果能将阴阳两极联系起来，发挥两者各自的优势可以达到协同处理废水的目的。3．由于传统双室反应器中需要成本高昂的膜材料来分隔阴阳两极，因此该类型的反应器无法在实际中大规模的应用。如果通过改进反应器的结构利用其中的流态来达到既保持阴阳两极之间的电势差又能保证离子在阴阳两极之间的自由移动则可以开发出不需质子交换膜的单室反应器。4．在实际废水处理过程中，由于废水成分的复杂性，有可能对产电微生物形成化学冲击。因此精确研究不同化学刺激对微生物电化学活性的影响可以为优化基于BES的废水处理工艺提供理论支持。但是传统的实验室级别的反应器 浙江大学博士学位论文绪论无法准确、快速、定量的分析不同化学刺激对微生物产电性能的影响。因此，微型BES系统有可能可以作为该研究的一个测试平台。5．基于BES的废水处理工艺中由于将污染物去除和产电结合在一起，使得该系统相较于传统的废水生物处理工艺更加复杂。常规的监测手段无法对所有参数进行准确的测量。由于电化学活性微生物产电性能和反应器运行状况直接相关，故如果可以开发出一种基于电化学活性微生物传感器则可以实现对BES废水处理系统的实时、原位、精确监控。并为将来进一步实现废水处理装置的自我智能控制提供了可能。1．9主要研究内容1．利用MFC阴极的还原能力处理含重金属的废水2．构建新型MFC系统，利用阴阳两极协同处理含难降解有机物废水3．改进单室空气阴极反应器，抑制氧气向阳极的扩散，提高库伦效率。4．利用微流态装置中的层流特性来分隔阴阳两极从而构建基于微流态装置的无膜MFC5．开发基于微流态的微升级BES，并利用微流态装置的特性，将其作为研究不同化学刺激对微生物电化学活性影响的平台。6．构建以具有电化学活性微生物为核心部件的生物传感器并进而将其作为逻辑控制部件1．10本论文技术路线本论文以基于BES的废水处理工艺的开发为主线，将BES在废水处理领域的应用和在微生物传感器以及微生物活性研究领域的应用进行有效地整合。具体技术路线如图1．5所示。16 图1．5技术路线图Figure1．5Researchplanforthisthesis基二F层流微流态装置的电化学活性微生物分析系统的开发孽筒>}垛葛睁昧高黔碍撩酪 浙江大学博士学位论文实验装置及分析测试方法2实验装置及分析测试方法本章主要介绍本论文所涉及的反应装置和相关的分析测试方法，所用材料，药品和一些参数的计算方法。2．1实验装置2．1．1处理电镀废水实验装置图2．1处理电镀废水实验装置Figure2．1Thereactorforelectroplatingwastewatertreatment反应装置为典型的双室微生物燃料电池，构造如图2．1所示。该反应器由两个体积均为220ml的矩形反应室构成，长宽高分别为：5cm；4cm；llcm，实验中所用的有效体积为200ml。反应器外壁由有机玻璃制作而成。两个反应室之间用面积为45cm2的质子交换膜进行物理分隔。两个反应室由法兰连接，为了防止渗漏，在连接法兰和质子交换膜时用橡胶圈进行密封。为了使阳极室内保持厌氧环境，阳极室上方的开口用橡胶塞密封，橡胶塞上为导线，采样口等预留3个开孔。反应器搭建完毕后用高密度密封胶对空隙进行密封。阴极室上方同样用 浙江大学博士学位论文实验装置及分析测试方法橡胶塞封闭，由于阴极需要曝气，橡胶塞上开一个排气孔。阳极室底部用磁力搅拌子进行搅拌。阴极室底部固定一曝气头。阳极选用碳毡作为材料，碳毡和铜导线用导电膏和塑料夹进行连接。阴极选用碳毡，碳纸，石墨纸作为电极材料。导线和碳纸和石墨纸连接时用鳄鱼夹连接，然后用环氧树脂胶对连接处表面进行密封，防止溶液腐蚀鳄鱼夹。2．1．2溢流降膜式徽生物燃料电池装置(wwMFC)(b)CH3COU一4Hp2HCO：一一町一80血畦"Caflu∥图2．2a)WWMFC结构示意图；b)WWMFC中质子传递过程。Figure2．2(a)TheschematicofthemainstructureofWWMFCand(b)protontransfermechanisminWWMFC．19 浙江大学博士学位论文实验装置及分析测试方法溢流式降膜微生物燃料电池是由两个同轴的玻璃圆筒构成。外圆筒的直径是4．3cm，高度是10cm。内圆筒的直径为2．3cm，高度是9．5cm。一个有机玻璃材质的盖子起到密封的作用，具体形状见图2．2所示，并用O形圈保证密封效果。进水口位于反应器的底部。反应器的阳极室位于两个圆筒之间的间隙，阳极室的有效体积为30ml。阳极的电极材料是碳毡(7×12cm，2111]m厚)。阴极的材料选用碳布，阴极固定在内筒的内壁(6×12cnl，2mm厚)。为了测定阳极的电势，外筒壁上开孔接入参比电极。阴阳极和铜导线连接后，导线从有机玻璃的盖子上预留的开口处延长至反应器外。营养液从阳极室下部进入并通过上盖和内筒之间的空隙(约2．5mm)溢流至阴极并在阴极表面形成液膜。反应器的示意图如图2．2a所示，反应器的工作原理如图2．2b所示。2．1．3微生物燃料电池与厌氯好氧反应器集成系统p图2．3厌氧好氧．MFC集成系统示意图Figure2．3Theschematicofanaerobic·aerobicsequentialreactorandmicrobialfuelcellcoupledsystem该反应器由两个体积均为220ml的矩形反应室构成，长宽高分别为：5cm；4cm；11cm，实验中所用的有效体积为200ml。反应器外壁由有机玻璃制作而成。2n 浙江大学博士学位论文实验装置及分析测试方法两个反应室之间用面积为45cm2的质子交换膜进行物理分隔。两个反应室由法兰连接，为了防止渗漏，在连接法兰和质子交换膜时用橡胶圈进行密封。为了使阳极室内保持厌氧环境，阳极室上方的开口用橡胶塞密封，橡胶塞上为导线，采样口等预留3个开孔。反应器搭建完毕后用高密度密封胶对空隙进行密封。阴极室上方同样用橡胶塞封闭，由于阴极需要曝气，橡胶塞上开一个排气孔。阳极室底部用磁力搅拌子进行搅拌。阴极室底部固定一曝气头。在接近阳极室底部开设一进水口，在阴极室上部开设一出水口。阴阳两极之间用一回路连接，用蠕动泵从阳极室上方将水泵出，再从阴极室下部泵入。阳极选用碳毡作为电极材料。在Rl中选用碳毡作为阴极材料。R2中用填充的石墨颗粒做为阴极材料，再在填充石墨中插入一根石墨棒作为与外电路的连接。为了使RI和R2能够更好的进行性能比较，通过改变R2中石墨颗粒的填充体积使得R1和R2能达到相近的COD和色度去除率。最终确定的R2的有效阴极室体积为152ml。2．1．4基于层流徽流态装置的微生物电化学系统F!《⋯一一×⋯×⋯一一"．0．2mmO．1mm0．2mm卜⋯⋯hI邕i‘士毒j乜I图2．4a)装置顶视图；b)装置侧视图；c)整套系统示意图Figure2．4SchematicofthemicrofluidicBES：(a)Topviewofdevice；(b)crosssectionalviewofthemicrofluidicchannel；and(c)schematicoftheentiresetup，indicatingtheanaerobictubingandchamber．2l田～二。桂肾 浙江大学博上学位论文实验装置及分析测试方法Y型通道由PDMS经标准软光刻技术制得：首先制造硅模具，在一片抛光硅片上通过旋转覆盖上一层S1827正光阻剂。后续步骤为：1)将其通过photomask在紫外光下曝光(ABMcontactaligner)；2)在氨气图像反向炉中烘烤；3)用MIFl00显影剂清洗；4)在Unaxis硅蚀刻系统中在硅材料表面蚀刻出100pm高的通道模型(SLR770etcherUnaxis)。然后制造PDMS通道，将Sylgard184弹性体和固化剂以10：1的比例混合，均匀倾倒在硅模板表面后在90*(2下固化2小时。最终获得的通道面积为2cm×O．5ram；高度100Ilm。最终在PDMS通道上打上三个孔，两个为进样12，一个为出口。制作金电极，本实验中采用的金电极由在Borofloat基片上沉积2nm的金制得，在金与基片之间以lnln的钛作为粘合剂。所有的沉积步骤都在CVCSC4500E—gunevaporationsystem中进行。以上所有步骤均在美国Comell大学的纳米中心完成。为了便于连接恒电势仪或万用表，银导线被用银粘合剂固定到金电极上。最终金电极和PDMS通道通过聚甲基丙烯酸酯夹板固定。由于该微流态装置中仅有两个电极，故通过将三电极体系中的参比电极和对电极连接到同一个电极，将三电极体系简化为两电极体系。在这种体系中工作电极生物阳极，对电极和参比电极为阴极。整个装置被置于一个有机玻璃制的腔室中。腔室中不断通入N2／C02混合气，以保证腔室内的正压以防止氧气的进入。两个100ml气相色谱注射器由注射器泵驱动经由Tygon微孔PVC管泵入装置。为了防止氧气的扩散进入体系，所有的Tygon管道全部置于Norprene管中，而Norprene管中则持续鼓入N2／C02混合气。一个装备20“l的进样管的进样阀被装载在阳极液管路中被用以接种和注射入需考察的化学冲击(图2．4)。2．1．5基于电化学活性细菌的逻辑门系统实验装置基于恒电势三电极体系的与门构建于单室三电极体系中。工作电极为9cm×9cm的碳布，对电极为碳棒，参比电极为自制Ag／AgCl的参比电极。整个反应装置的有效体积为330ml，用水浴夹套控制恒温在35*(2。整个反应装置通过空气过滤器连通大气，整个内部环境为微好氧状态。工作电极通过恒电势仪控制电势在0．3V(V．s．Ag／AgCl)。 浙江大学博士学位论文实验装置及分析测试方法基于MFC的与门系统构建于典型的H型双室反应器，工作电极与对电极均为9cm×9cm的碳布，双室之间的分隔材料为Nation117质子交换膜。单室的有效体积为220ml。两电极间通过可调电阻箱连接。数据通过Keithley2700系统采集。阳极室内部为微好氧环境，整个系统通过水浴控制在35*(2。2．2实验材料2．2．1试剂本论文3．5章节中所提及化学品均为分析纯，购于杭州惠普化工有限公司。6，7章中所提及化学药品均购于美国FisherScience或VWR公司。2．2．2电极材料碳毡为购于辽宁安科活性碳纤维应用技术开发公司的厚3mm的聚丙烯腈基碳毡，预处理方法为：1)去离子水洗去表面杂质，2)在lMNaOH溶液中煮沸30min，并用去离子水冲洗至中性，3)用1MHCl溶液煮沸30min，用蒸馏水冲洗至中性，4)在105℃下烘干后使用【lor]。石墨纸购于江苏永旭石墨制品有限公司，石墨纸厚度约为0．5mm，使用前的预处理方法同碳毡。活性炭颗粒购于上海尚卓净水过滤有限公司，颗粒长度约为5inin。使用前使用同样的预处理方法进行处理。碳布购于美国St．Louis的Zoltek公司，型号为PANEX30：PW06。2．2．3接种污泥。培养液与阴极电解液本论文3，51节中所提及的阳极接种污泥均取自杭州市四堡污水处理厂的厌氧消化池。在第4章实验中所用阳极厌氧污泥和阴极好氧污泥取自本实验室一套处理染料废水的实验装置。3，4，5章中所用阳极室营养液及培养液的配方为(每升)g1g乙酸钠(某些实验采用葡萄糖为碳源，具体浓度见后续章节)，11．79NaCl，6．8gKH2P04，1．164gNaOH，0．454gNH4C1，O．165gMgCl2。6H20，0．001gFeCl3。6H20，0．023gMnCl2。4H20，0．015gCaCl2，7ggZnCl2，7099FeCl2‘4H20，24ttgCOCl2‘6H20，2ggNiCl2’6H20，4ggNa2M004。2H20：阴极室用电解液(每23 浙江大学博士学位论文实验装置及分析测试方法升)为，0-11．7gNaCI，13．6gKH2P04，2．328gNaOH。本文第6章所用的G．sulfurreducens购买自德国菌种收集中心(DSMZ)第6章中所用的FW营养液配方为：2．5gNaHC03；0．25gNH4C1；O．52gNail2P04；0．1gKCl；5mgeysteinesulfide；10ml维生素混合溶液【每升含2mgbiotin，2mgfolicacid，10mgpyridoxine-HCl，5mgThiamine-HCl‘2H20，5mgRiboflavin,5mgNicotinicacid，5mgD·Ca-pantothenate，0．1mgvitaminB12，5mgp-aminobenzoicacidand5mglipoicacid]；和10ml矿物质混合溶液【每升含1．5gnitrilotriaceticacid，3．0gMgS04‘7H20，0．5gMnS04’H20，lgNaCI，O．1gFeS04‘7H20，O．18gCOS04‘7H20，0．1gCaCl2。2H20，0．18gZnS04‘7H20，O．0lgCuS04‘5n20，0．02gKAI(S04)2‘12H20，0．01gH3803，O．01gNa2M004‘2H20，0．025gNiCl·6H20and0．3mgNa2Se03·5H20]．10mM或50mM乙酸钠被加到溶液中作为电子供体．溶液配制完成后先曝氮气然后曝80％：20％的氮气二氧化碳混合气以去除氧气，然后将pH值调节到6．8。为了保持溶液的厌氧环境，0．01％的半胱氨酸．硫化钠混合溶液被加到溶液中作为氧气捕获剂。细菌首先在血浆瓶中用FW营养液培养，这个过程中用40mM的延胡索酸钠作为电子受体。在装置开始运行后阳极液为FW营养液但是不含任何电子受体，电极为唯一电子受体。阴极液为FW营养液中的盐溶液。在MFC模式下，阴极液中加入20mM的铁氰化钾作为电子受体。本论文第7章中所用的PaeruginosaPAl4lasI／rhlI变异菌种fljDartmouthMedicalSchool的Dr．DeborahA．Hogan提供。第7章中实验中所用的培养该种细菌的培养液为LB液体培养基，反应器中的细菌营养液为修改的AB营养液，其配方为：8mM(sn4hs04，21mMNa2HP04，11mMKH2P04，26mMNaCl，0．39mMNaESOa，0．1mMCaCl2，2mMFeCl3，30mM葡萄糖。在H型双室MFC的阴极中所用的阴极液为：100mM磷酸盐缓冲溶液(pH=6．8)；100mM铁氰化钾。 浙江大学博士学位论文实验装置及分析测试方法2．2．4质子交换膜美国杜邦Nation117膜。预处理方法为【67】：80℃水浴中，依次在去离子水、3％双氧水和0．5M的硫酸溶液中浸泡1小时，用去离子水清洗后浸泡于去离子水中备用。2．2．5其他器材实验中所用的设备有：恒温培养箱为上海博迅科学仪器有限公司生产的SPX．250B．Z型恒温培养箱，蠕动泵型号是BTl00．1J为河北保定兰格恒流泵有限公司生产，饱和甘汞参比电极采用上海雷磁有限公司生产的303型电极，万用表采用香港优利德公司UT70B型万用表，通过其附带的数据记录软件将万用表连接至电脑COM口实时记录数据。在制作电极时为了确保碳材料和金属导线的连接并防止金属导线被溶液腐蚀，在连接点涂抹福大导电膏公司生产的DG．1G型电接触导电膏。pH仪为上海雷磁的pHS．25型pH计。实验所用氮气为杭州今工气体公司提供的纯氮气，氮气二氧化碳为美国Airgas公司提供的N2／C02=80％：20％的混合气。本论文6，7章中所用的恒电势仪为法国Bio．Logic公司的VSP2000型5通道恒电势仪。万用表为美国Keithley公司的2700型。气相色谱注射器为美国Hamilton公司的1100TLL。注射器泵为美国Harvardapparatus公司的PI-ID2000。Norprene管购于美国的Cole—Parmer公司，型号为06404．18。Tygon微孔PVC管购于Smallparts．tom网站，具体型号为D=o．02’’：OD=0．06"。软光刻以及硅片蚀刻过程中所用的所有仪器均可以在美国Comell大学的CNF网站查询到具体参数。2．3分析测试方法2．3．1碳毡电极上产电微生物形态的观察使用环境电子扫描显微镜对碳纤维毡表面的微生物形态进行观测。以下具体操作方法为浙江大学华家池校区分析测试中心提供。剪取尺寸约为O．5cm×0．5cm的挂膜碳纤维毡，在2．5％的戊二醛溶液中4℃固定过夜，然后按下列步骤处理样品1107】： 浙江大学博士学位论文实验装置及分析测试方法(1)倒掉固定液，在O．1M，pH=7．0的磷酸缓冲液漂洗样品15分钟，漂洗三次；(2)用1％的锇酸溶液固定样品1～2h；(3)倒掉固定液，在0．1M，pH=7．0的磷酸缓冲液漂洗样品15分钟，漂洗三次；(4)用梯度浓度分别为50％，70％，80％，90％和95％五种浓度的乙醇溶液对样品进行脱水处理，每种浓度处理15min，再用100％的乙醇处理两次，每次20rain。(5)用乙醇与醋酸异戊酯的混合液(V／V=1／1)处理样品30min，再用纯醋酸异戊酯处理样品1．2h。(6)临界点干燥。(7)镀膜，观察。进行SEM观察的设备型号为Philips公司XL30ESEM型环境扫描电镜。2．3．2乙酸钠浓度的测定采用上海天美的ICl000离子色谱仪测定【107】。操作条件：色谱柱为日本ShodexSI．904E阴离子色谱柱，巾4．0X250mill；检测器为Alltech550电导检测器；淋洗液为1．8mMNa2C03+I．7rnlVlNaHC03溶液，采用超纯水配制，并用0．22岬微孔滤膜过滤后超声30min；流速为1．5ml／min，进样体积为50此。2．3．3六价铬及总铬浓度的测定样品中六价铬离子的浓度采用国家标准方法：二苯碳酰二肼分光光度法(GB7467—87)进行测定，所用紫外可见分光光度仪为上海天美UV8500型。总铬浓度采用原子吸收法进行测定。具体步骤为，取样品1ml用超纯水稀释10倍，用0．22lxm微孔滤膜过滤后用岛津AA6800原子吸收仪进行测定。2．3．4电极表面沉积物XPS分析采用x射线光电子能谱(XPS)仪(PHI5000CESCASystem，PHI，，美国)分析样品表面的各元素相对含量比例。以下具体测试条件为上海复旦大学提供，具体参数为：铝／镁靶，高压14．0kV，功率250W，真空度暑e暑oTime(hour)图3．1启动阶段电流的产生，以重铬酸钾为电子受体。(A)更新阳极室中的阳极液。(B)用含50ppm重铬酸钾的模拟废水替换原阴极液，pH为2．0。Figure3．1ElectricitygenerationintheMFCduringstartupstageusingpotassiumdichromate嬲theelectronacceptor．(A)Refilltheanodechamber诵thfreshanodemedium．(B)Refillthecathodechamberwithsyntheticwastewatercontaining50ppmpotassiumdichromate，pH=2在MFC启动成功后，用环境扫描电镜对阳极表面的微生物膜进行观察。如图3．2所示，阳极表面的微生物主要是一些杆菌。这些杆菌的可以从有机碳源获得电子，并将电子从微生物内部传递到电极。图3．2阳极表面徼生物的扫描电镜图Figure3．2SEMimageofelectron-transferbacteriaattachedtothesurfaceoftheanode 浙江大学博士学位论文微生物燃料电池处理含铬电镀废水3．1．2阴极液pH值对六价铬去除和产电性能的影响为了考察阴极液pH值对六价铬去除和产电性能的影响，我们采用含50ppm六价铬，pH范围为1-6的模拟废水作为阴极液。pH值采用滴加50％的硫酸进行调节。从图3．3中可以看出，随着pH值从6下降到2，六价铬的去除率从28％上升到了98．3％。总铬的去除率在pH=2时达到最高值49．1％。而且，在实验结束时用肉眼可以观察到有绿色固体附着在阴极表面。我们初步判断六价铬离子在阴极室内接受电子成为三氧化二铬，以三氧化二铬在阴极表面沉积的形式最终实现了总铬的下降。但是当pH值迸一步从2下降到1时，六价铬和总铬的去除率均出现了下降，总铬的去除率更是下降到了O％。这主要是因为当阴极液的pH值下降到1之后，由于膜两侧巨大的质子浓度差，使得大量氢离子从阴极室扩散到了阳极室，超过了阳极液中缓冲溶液的缓冲容量，造成了阳极室营养液pH的下降。经测量，当采用pH=l的阴极液时，阳极室营养液的pH值从反应前的6．8下降到了1．8。过低的pH值使得阳极微生物活性下降甚至死亡，从而使得阴极室中六价铬和总铬的去除率下降。图3．3也显示，当pH值从6下降到1时，MFC的最大输出功率密度从67．6mW／m2上升到了705mW／m2。由此可见，较低的pH值有利于产电性能的提高，但是在此情况下会造成阳极室中营养液pH值的下降，微生物活性下降甚至完全失活，该高功率密度输出不具有持久性。32图3．3pH值对铬去除率以及最大功率密度的影响Figure3．3TheeffectofpHonchromiumremovalandmaximumpowerdensity．刃。暑o《巴^d￡加蛐舳伯∞卯∞如加加O一．d蜀、享置一扫Is目。々甚参。臣昌皇目嗣矗_’I 浙江大学博士学位论文微生物燃料电池处理含铬电镀废水Time(min)图3．4不同pH值下输出电能的比较Figure3．4ComparisonofpowergeneratedindifferentpH(50ppmpotassiumdichromate，R=1000Ⅵ．图3．4记录了MFC输出的功率密度(外接1000Q外电阻)随时间变化的曲线。图中对应pH=l的曲线随时间快速下降的原因如上所述，是由于氢离子从阴极室向阳极室扩散造成的。3．1．3六价铬浓度对产电性能的影响为了考察六价铬浓度对产电性能的影响，阴极液中六价铬的浓度从50ppm升高到500ppm。基于pH对系统影响的研究结果，该小节中阴极液均采用pH--2。如图3．5所示，当阴极液中六价铬浓度从50ppm上升到500ppm时，最大功率输出密度从602mW／m2上升到2116m嘣，阴极电势从690mV上升到802mV。产电性能的提高主要是由于阴极电势的上升所引起。阴极电势与六价铬的氧化还原电势有关。根据能斯特方程，阴极电势表示为E=1．33+O．01109[CrzO；-】一o．08pH(3一1)由此可见高浓度的六价铬离子和低pH值能有效提高阴极电势从而提高MFC的产电性能。另外，六价铬离子浓度的上升也可以增加阴极室的离子强度。而离子强度的上升又可以降低内阻，从而提高产电性能‘671。相比较其他文献，本研究中达到的功率密度是相对较高的。You等人采用100ppm的高锰酸钾作为电子受体，33 浙江大学博士学位论文微生物燃料电池处理含铬电镀废水其功率密度是115．6mW／m2【1081。Gu等人采用50ppm的对氯酚作为阴极室的电子受体，其功率密度为12．4mW／m2[891。由此可见六价铬离子是一种理想的电子受体。9暑=爵=暑苫厶名三善UConcentrationofCr”(ppm)图3．5初始六价铬浓度对最大输出功率密度和阴极开路电势的影响Figure3．5Maximumpowerdensityandopencirclecathodepotentialasafunctionofinitialconcentrationofpotassiumdichromate(pH=2)3．1．4不同阴极材料对六价铬去除率和产电性能的影响碳纸，碳毡和石墨纸将作为本小节中三种不同的阴极材料。阴极液含50ppm六价铬，pH值为2。如图3．6所示，采用石墨纸作为阴极材料，MFC的产电性能是最佳的。当采用石墨纸阴极时，在前两个小时内功率输出密度基本稳定在348mW／m2左右，在随后的7个小时中，功率密度逐渐下降到5．7mW／m2。这主要是由于随着反应的进行，六价铬浓度的逐渐下降使得功率输出密度下降。在使用碳毡作为阴极材料时，我们观察到了功率密度的快速下降。这个可能的原因是低pH值的溶液使得碳毡表面的一些官能团发生了改变。采用3种不同的电极材料对内阻的影响并不大，大约都维持在300Q左右。从图3．7中可以看出在使用石墨纸电极的条件下，无论是六价铬还是总铬的去除率都是最高的。因为六价铬的还原需要电子和质子，因此产电性能越好，电流越大可以使得越多的六价铬被互曾xi暑皇暑弓。薯o，厶。葛～暑^暑、)v、暑。√ 浙江大学博士学位论文微生物燃料电池处理含铬电镀废水还原。因此产电和六价铬的去除是呈正相关的关系。所以，综合产电性能与六价铬去除两个因素，石墨纸电极是最合适的阴极材料。．f_、宣≥暑、_，三-’荔=o电Lo≥o山Time(min)图3．6不同电极材料对电能输出的比较(50ppm重铬酸钾，pH=2，外接1000Q电阻)Figure3．6Comparisonofpowergeneratedusingdifferentcathodematerials(50ppmpotassiumdichromate，pH=2，R=1000躏．GraphitePaperCarbonPaperCarbonFelt图3．7不同阴极材料对铬去除率的影响Figure3．7Chromiumremovalobtainedusingdifferentcathodematerials(50ppmpotassium&chromate，pH=2)． 浙江大学博士学位论文微生物燃料电池处理含铬电镀废水3．2微生物燃料电池处理实际电镀废水为了考察微生物燃料电池处理实际废水的能力。我们从一家电镀厂取得实际含铬电镀废水用于实验。该实际废水含铬204ppm，其pH值为2．5。利用石墨纸作为阴极材料。MFC启动后，将实际废水pH值调节至2，注入阴极室开始处理过程。外接电阻为1000Q。处理25小时后，六价铬和总铬的去除率分别达到了99．5％和66．2％。图3．8为在整个处理过程中，在外接1000Q电阻的情况下，MFC输出功率密度随时间的变化曲线。从图中可以看出随着反应的进行，六价铬浓度逐步下降使得输出功率密度随时间降低。此外，我们还测量了这个过程中的极化曲线，如图3．9所示。MFC在电流密度为0．4mA／cm2的情况下，最大功率输出密度为1600mW／m2，内阻大约为100Q。该过程的库伦效率为12％，表明阳极室中微生物降解有机物产生的大部分电子没有用于产电，可能在阳极室中存在着与产电相竞争的其他生化过程如发酵产甲烷反应，或者存在其他电子受体。综合六价铬和总铬的去除效率与产电性能的分析，利用微生物燃料电池处理含铬电镀废水具有如下优点：1)在处理污染物的同时能够回收电能。2)相比其他生物法，该方法具有六价铬耐受度高的特点，能处理高浓度含铬废水。3)无有毒终产物产生。由能斯特方程(式3-1)可知，六价铬在阴极的还原是一个与pH值密切相关的过程。pH值越低越有利于六价铬的还原。在实际应用中，由于电镀工艺中有酸洗工序，该工序的废水pH值通常在3以下。将该工序的废水和含铬废水相混合可以有效降低废水的pH值，从而大大提升六价铬的去除效率。表3．1将几种常见的生物和物化处理含铬废水工艺的处理效果与利用微生物燃料电池处理工艺的效果进行了比较。比较结果显示，微生物燃料电池技术是一种高效低成本的含铬电镀废水处理工艺。该技术除了可以用于含铬电镀废水的处理之外，还可以应用于含高浓度金属离子的矿山废水和修复受重金属污染的地下水等。在本章节中我们采用的阴极为未经任何修饰的石墨材料，下一步工作可以考虑在阴极材料表面负载某些能够催化重金属还原的催化剂来进一步提高重金属还原效率和产电性能。同时，在实验中我们也发现六价铬离子被还原后会在阴极表面形成一层铬氧化物的覆盖层，由36 浙江大学博士学位论文微生物燃料电池处理含铬电镀废水于铬氧化物不导电，因此，在阴极表面被大量铬氧化物覆盖后导电性能会逐渐下降并最终失效。因此，阴极的使用寿命也成为该技术在实际应用中必须考虑的一个因素。可以通过改用比较面积更大的电极材料来延长电极寿命或者通过负载合适的催化剂使得六价铬最终被还原为金属铬而防止阴极导电性能的下降。表3．1文献报导不同方法去除铬的效率比较Table3．1Cr6+removalreportedintheliteraturesandthatobtainedinthisstudy3．3六价铬降解途径及终产物分析为了分析六价铬在还原过程中的最终产物，我们利用SEM和XPS对反应后的阴极材料表面进行了观察和分析。图3．10中A为反应前石墨纸阴极表面的SEM图，B为反应后的SEM图。从A，B的对比中我们可以看出有明显的固体物质附着在电极表面。图3．1l为反应前后电极表面的XPS分析图，从图中的两个能量峰对应的结合能分析，该固体物质为三氧化二铬。因此我们可以推断六价铬在MFC阴极接受电子和质子后被还原为三氧化二铬固体沉淀，从而达到了去除污染物的目的。37 浙江大学博士学位论文微生物燃料电池处理含铬电镀废水38—’昌言昌参‘窃g胃毒蕾。厶Time(min)图3．8以实际废水为电子受体时MFC中电能的产生Figure3．8PowergeneratedintheMFCusingrealelectroplatingwastewater嬲electronacceptor(pH=2，R=1000V)．Currentdensity(mA／em2)图3．9MFC处理实际废水时的产电性能评价Figure3．9Powergenerationasafunctionofthecurrentdensityusingrealelectroplatingwastewater(pH=2)n譬一，o厶o，ote暑ti譬暑—葛《_l^．暑、^^昌-参Is葺。口．19亭o■ 浙江大学博士学位论文微生物燃料电池处理含铬电镀废水图3．10(A)使用前空白阴极的扫描电镜图片；(B)使用后阴极表面的扫描电镜图(500ppm重铬酸钾，pH=2，处理35小时)Figure3．10SEMimageof(A)plaincathodeand(B)surfaceofcathodeintheMFCusingpotassiumdichromateaselectronacceptor(500ppmpotassiumdichromatepH=2，reactingtimeof35h)24000210001800015000回岔12000Z9000600030000590580570560图3．11阴极表面在使用前后的XPS分析结果比较(500ppm重铬酸钾，pH=2，处理35小时)Figure3．1lXPSanalysisforthesurfaceofthecathode(500ppmpotassiumdichromate，pH=2，reactingtimeof35h)39 浙江大学博上学位论文微生物燃料电池处理含铬电镀废水3．4本章小结1．六价铬，总铬去除和产电的最佳pH值为2，当pH值低于2时，强酸性会造成过量氢离子从阴极室向阳极室的扩散而降低微生物活性。2．六价铬浓度的升高有利于产电性能的提高，当阴极室中六价铬浓度为500ppm，pH=2是最大功率输出密度可以达到2116mW／m2。3．石墨纸阴极相比较碳纸和碳毡能有效提高六价铬，总铬的去除率和产电性能，是一种理想的电极材料。4．在对含铬204ppm的含铬实际废水处理25小时后，六价铬，总铬的去除率分别可以达到99．5％和66．2％。该过程中的最大功率输出密度为1600mW／m2，内阻为100Q。5．六价铬以在MFC阴极室中被还原为三氧化二铬在电极表面沉积出来的形式而达到去除的目的。 浙江大学博士学位论文微生物燃料电池与厌氧好氧连续流反应器集成系统处理偶氮染料废水4微生物燃料电池与厌氧好氧连续流反应器集成系统处理偶氮染料废水由于常见的双室MFC的阳极室通常是厌氧环境，而在采用氧气作为电子受体的情况下，阴极室可以提供良好的好氧环境。本章基于上述思路利用双室MFC提供的良好厌氧好氧环境，将MFC与传统的厌氧好氧工艺进行整合。并利用这种新型的体系来处理含偶氮染料的废水。本章节研究的目的是利用这种结合了传统厌氧好氧处理工艺特征的MFC在达到有效降解偶氮染料的同时从中回收电能。4．1反应器的启动反应器的启动分两个阶段，第一阶段为阴阳两极分别接种阶段：即循环回路关闭，阴阳两极均采用序批式的接种方式。阳极的接种微生物从本实验室一个厌氧处理染料废水的装置中获得。50ml的污泥与150ml的含葡萄糖为碳源的营养液混合后注入阳极室。每两天更换新的营养液。阴极室所用的的接种污泥为从本实验室一个好氧处理染料废水的装置中获得，50ml污泥与葡萄糖的营养液混合后注入到阴极室中，每两天更换一次营养液。该接种阶段持续一个月时间。初步接种结束后进入第二阶段。在第二阶段，循环回路打开，整个反应装置在连续流的工况下运行。所用的营养液同第一阶段，但其中加入100mg／1的刚果红作为污染物。待输出电压值稳定之后，反应器启动成功，可以进行后续实验。4．2操作参数的优化4．2．1不同阴极材料的选择为了考察两种不同阴极材料对产电性能的影响，我们制作了两个相同的反应器，分别命名为R1和R2。RI中的阴极材料是碳毡，R2的阴极材料是石墨颗粒。在两个反应器接种启动成功之后，均用蠕动泵按14．8小时的水力停留时间注入含1g／l葡萄糖和100mg／1刚果红的模拟废水。待输出电压平稳之后开始进行产电性能的测试。41 浙江大学博士学位论文微生物燃料电池与厌氧好氧连续流反应器集成系统处理偶氮染料废水表4．1列举的是两个电池产电性能的一系列参数和极谱分析结果。从表中可以看出，R1的内阻大约为200Q，最大输出功率密度为67．28mW／m2。而R2的内阻大约为100Q，最大输出功率密度为400mW／m2。通过交流阻抗的分析，我们发现R2的阴极电子传递阻力相比Rl明显下降。主要原因是石墨颗粒为阴极表面的一系列反应提供了更大的接触面积使得反应速率加快。同时，填充石墨颗粒使得氧气在反应器中的停留时间增长，这也强化了氧气的传质过程和利用效率。因此，石墨颗粒相比碳毡能够更加有效地提高产电的性能。因此在后续的实验中均采用R2的反应器构造。4．2．2产电性能与污染物去除效率的相互关系由于产电和断裂偶氮键都需要电子和质子的参与。所以本章着重对产电和污染物去除两者之间的关系进行了研究。我们在7个不同的功率输出密度情况(O．387mW／m2)下测定了COD和色度的去除。从图4．1中可以看出提高输出功率密度可以将阳极出水COD的去除效率从45％提高到67．6％。而总的COD去除效率从75％提高到了86．4％。然而从图中可以看出输出功率的提高对色度的去除影响不大。输出功率提高能够促进COD的去除的主要原因是：在MFC阳极室中电极表面的微生物以阳极为电子受体进行呼吸。当输出功率提高时，呼吸链中将会有更多的能量被转化为电能。微生物为了有足够的能量维持自身的代谢速率，被迫消耗更多的碳源来获取能量。这个过程增强了COD的去除效率。另一部分微生物以阳极室中的染料作为电子受体，这部分细菌主要负责染料中偶氮键的破裂。输出功率密度的提高对这部分微生物来讲，几乎没有影响。因此输出功率密度的提高对提高染料的去除效率几乎没有影响。由此可见，在A／O．MFC阳极室中产电和染料的去除是两个相互独立的过程。42 浙江大学博士学位论文微生物燃料电池与厌氧好氧连续流反应器集成系统处理偶氮染料废水表4．1极谱分析数据汇总Table4．1SummaryoftheparametersusedtodescribetheelectricalperformancesofreactorsRlandR2享=矗>o量o2PowerdensiD"(mW／m2)图4．1产电性能对色度和COD去除率的影响(葡萄糖=1000mg／l，CR=200mg／1，HRT=14．8h)Figure4．1EffectofoutputpowerdensityoncolorandCODremoval(glucoseconcentration=1000mg／l，CR=200mg／l，andHRT=14．8h)．43 ‘浙江大学博士学位论文微生物燃料电池与厌氧好氧连续流反应器集成系统处理偶氮染料废水4．2．3底物浓度对产电性能和污染物去除效率的影响由于偶氮染料的去除是一个接受电子的还原过程，因此作为电子供体的碳源浓度在决定染料去除效率上起着重要的作用[116】。在本实验中，我们选取了葡萄糖作为碳源。为了研究葡萄糖的浓度对染料去除和产电性能的影响，我们选取了100mg／1—4000mg／1范围内不同的葡萄糖浓度来考察其对色度去除率和产电性能的影响。图4．2为不同葡萄糖浓度情况下，阳极室出水，阴极室出水中色度的去除效率和输出功率密度的关系图。结果显示当葡萄糖浓度从100mg／l增加到4000mg／l时，阳极室出水的色度去除率从42．7％升高到77％，而总的色度去除率则从69．3％升高到92．7％。在对产电性能的影响方面，当葡萄糖浓度为1000mg／l时产电性能达到最大。当葡萄糖浓度从100mg／l上升到1000mg／1时阳极的开路电势从．153mV下降到．425mV，但是当葡萄糖浓度继续从1000mg／1上升到4000mg／1时阳极电势则基本维持稳定。阴极电势方面，当葡萄糖浓度由100mg／l上升到4000mg／l时，阴极的开路电势则从153mV下降到．382mV。这些变化的原因是：增加葡萄糖浓度会增加阳极室和阴极室中营养液的COD，进而使得微生物的活性提高，所以色度的去除率随微生物活性的提高而升高。从对产电性能影响的角度来看，阳极室内营养液COD的提高能提高阳极微生物的产电性能，阳极电势的下降是很好的证据。但是阴极营养液中COD的提高却抑制了产电性能的提高。原因是，随着阴极营养液中碳源浓度的升高，阴极电极表面好氧微生物膜的代谢速率也随之提高，导致溶解氧从液相透过微生物膜向阴极传质的过程中被快速消耗掉，使得阴极表面的溶解氧浓度变低。根据能斯特方程，阴极电势是与氧气浓度直接相关的。所以，当阴极表面的溶解氧浓度下降时，用于产电过程的电子受体也随之减少，阴极电势下降从而最终降低了整个A／O．MFC系统产电性能。 浙江大学博士学位论文微生物燃料电池与厌氧好氧连续流反应器集成系统处理偶氮染料废水Concentrationofglucose(Ing，I)_口。墨乌厶鲁兽．暑J、暑≤量、j。图4．2葡萄糖浓度对色度去除率和输出功率密度的影响(CR=200mg／l，HRT=14．8h，外接电阻=100Q)Figure4．2Effectofglucoseconcentrationoncolorremovalandpowerdensity(CR=200mg／l，HRT=14．8h，andexternalresistance=100固．4．2．4水力停留时间对产电性能和污染物去除效事的影响由于A／O．MFC体系在连续流情况下运行，而HRT又直接关系到各个部分的葡萄糖、溶解氧、染料的浓度。所以HRT成为影响其备方面性能的一个重要参数。本小节实验选取了7．4小时到44．4小时范围内6个不同HRT。营养液的COD为1100mg／l，其中刚果红的浓度为100mg／l。从图4．3中可以看出当HRT为14．8小时的情况下，A／O．MFC体系的最大功率输出密度为552．2mW／m2。当HRT从148小时增加到44．4小时后：I自板室内营养液的底物浓度下降_这便得阳极的开路电势从43lmV上升到一283．8mV(图4．3b)。阳极电势的上升是HRT提高后输出功率密度下降的主要原因。而当HRT从14．8小时下降到7．4小时时，由于营养液在阳极室停留时间下降，使得有更多的葡萄糖进入到阴极室，从而提高了阴极室里的葡萄糖浓度，根据上节中所得到的阴极室中葡萄糖浓度和产电性能之间的关系，葡萄糖浓度的提高会使得阴极的产电性能下降。这是HRT从14．8小时下降到7．4小时后产电性能下降的主要原因。这从阴极电势的变化图中也可以得到证实(图4．3a)。图4．4反映了COD和色度的去除率随HRT变化而变化45 浙江大学博上学位论文微生物燃料电池与厌氧好氧连续流反应器集成系统处理偶氮染料废水的情况。从图中可以看出，当HRT上升到11．2小时后，COD和色度的去除效率已经达到了相对高值，继续增加HRT到44．4小时，COD和色度的去除率上升得非常缓慢。所以HRT=11．2小时对于COD和色度的去除来说是一个最佳值。综合考虑产电性能和污染物去除两个方面的因素，我们选择14．8小时作为A／O．MFC系统的最佳HRT值。4．3偶氮染料降解途径分析为了分析刚果红在整个处理过程中的降解途径，我们采用紫外分光光度计对进水，阳极室出水，阴极室出水进行了全波段扫描。同时采用GC—MS对上述3种出水进行了分析。图4．5显示了3个不同阶段废水全波扫描谱图。位于490rim处的与偶氮键相对应的吸收峰在经阳极室处理后下降非常明显。这说明偶氮键主要在厌氧环境下发生断裂，这个现象与大多数文献的报道相吻合⋯71。490rim处的峰在阴极室出水中进一步下降。这说明了偶氮键在阴极表面以阴极为电子供体而被进一步氧化破坏，这个发生在阴极表面的反应过程很可能是非生物相关的Ills】。但是由于在阴极室中有微生物的存在，这使得阴极室中染料的还原所需的电子来源变得复杂。主要待解释的问题有：1)微生物或微生物产生的某些电子介体在电极与染料之间的电子传递过程中是否起到了中介催化的作用；2)电极是直接将电子传递给染料还是通过产生诸如氢气一类的电子供体，然后由这类物质再进一步还原染料。位于250rim处的吸收峰对应的是芳香胺，该峰在厌氧处理之后出现了上升说明在阳极室内发生的主要反应时偶氮键的破裂和芳香胺的生成，而在经过阴极室的好氧处理之后，该峰出现了大幅度的下降。这说明在阴极室中好氧微生物可以有效降解水中的芳香胺。在利用全波吸收谱图进行了分析之后，我们进一步使用GC．MS对各阶段出水中的产物进行了分析。基于全波谱图和GC．MS的分析结果，我们推断在A／O．MFC体系中偶氮染料的降解途径如图4．6所示：在阳极室内主要对应偶氮键的断裂，而在阴极室内主要的步骤为芳香胺的降解。 浙江大学博士学位论文微生物燃料电池与厌氧好氧连续流反应器集成系统处理偶氮染料废水4．4技术展望虽然通过将MFC和传统A／O工艺相结合可以从染料降解过程中回收一部分电能，但是该部分电能输出功率密度过低并不具有实际使用价值。但是从实验结果中也可以发现，电能输出密度与COD和染料的去除效率之间在一定的范围内存在着正相关关系。因此，输出电流可以作为检测染料降解和微生物活性的一个有效手段。鉴于目前大量的城市污水处理厂或者工业废水的生物处理装置采用厌氧好氧相结合的工艺，该种反应装置可以改造为一种以电流为输出信号的实时监控感应器。从而为检测反应装置的运行情况，控制优化操作条件提供了一种新的思路。4．5本章小结1．利用微生物燃料电池和厌氧好氧反应器集成系统可以实现在处理染料废水的过程中回收电能。2．使用石墨颗粒填充阴极相比碳毡阴极可以有效降低阴极的电子传递阻力，从而增强A／O．MFC系统的产电性能。3．经过操作参数优化实验确定，最佳葡萄糖浓度为1000mg／1过高的葡萄糖浓度不利于产电，而过低的葡萄糖浓度不利于产电和染料去除。通过综合考虑产电和污染物去除两个因素，最佳HRT值为14．8小时。4．在A／O．MFC体系中，阳极室内的厌氧处理过程能够破坏偶氮键，而阴极室内的好氧过程可以破坏芳香胺，故阴阳两极协同处理可以使最终出水中有毒物质的浓度下降。5．利用A／O．MFC处理染料废水和其他利用微生物燃料电池原理降解染料的工艺相比较优点为：在偶氮键断裂后产生的有毒物质芳香胺可以在该体系中进一步被降解并从此过程中回收部分电能。47 浙江大学博_上学位论文微生物燃料电池与厌氧好氧连续流反应器集成系统处理偶氮染料废水图4．3a)HRT对阴极电势的影响；b)HRT对阳极电势的影响；c)不同HRT条件下的功率曲线(葡萄糖=1000mg／l，CR=100mg／1)Figure4．3a)CathodepotentialaffectedbyHRT，b)anodepotentialaffectedbyHRTandc)polarizationcurvesperformedatdifferentHRT(concentrationofglucose=1000m酊andCR=100mg／1)． 浙江大学博士学位论文微生物燃料电池与厌氧好氧连续流反应器集成系统处理偶氮染料废水，．、摹=矗言暑。篁HRT(h)图4．4HRT对COD和色度去除率的影响(葡萄糖=1000mg／l；CR=100mg／l，外接电阻100Q)Figure4．4EffectofHRTOilCODandcolorremoval(concentrationofghcose=1000mg／l，CR=100m舭，andexternalresistance=lOOn)．确o《：Influent·^------·--·--——EnfluentofcathodicchamberfEnfluentofanodicchamber-jj。L●?＼～Wavelength(nm)图4．5入水，阳极室中水样，阴极室中水样和出水的全波吸光度扫描结果比较Figure4．5UV-visspectraofwastewatercontainingCRininfluent,anodechamber 浙江大学博上学位论文微生物燃料电池与厌氧好氧连续流反碰器集成系统处理偶氮染料废水GOxidationproductAnaerobicAerobic◇◇∞图4．6刚果红可能降解途径的分析Figure4．6ProposedmechanismofCRdegradation．∞胃脚一●●II●t、、√．呈一广(＼ 浙江大学博士学位论文溢流式降膜微生物燃料电池产电性能的研究5溢流降膜式微生物燃料电池产电性能的研究MFC技术被认为是一种有效的废水处理技术，但是目前广泛应用在实验室中的H型双室反应器由于采用了价格昂贵的膜材料，使得该种设计不能广泛应用于实际工程。单室空气阴极MFC由于其产电性能好，不使用成本高昂的膜材料被认为是最有希望在实际工程中得以应用的反应器形式。但是单室空气阴极MFC也存在着反应器内部的氧气扩散问题而造成阳极微生物产电性能不稳定，库伦效率低，同时由于需要控制阴极上的氧气传递速率，空气阴极通常需要多层空气扩散层，这使得空气阴极的制作工序相对比较复杂。针对目前单室空气阴极MFC的这些问题，本章介绍了一种新型单室MFC。这种新型的反应器在阴阳两极之间设置一内筒作为物理阻隔，通过阳极营养液从阳极向阴极的溢流而达到传递质子的目的。由于阳极营养液的溢流在阴极表面形成液膜，故称为溢流降膜式微生物燃料电池(WWMFC)。该反应器由于阴阳两极之间仅靠从阳极到阴极定向流动的液体连接，它们之间被内筒物理隔断故能有效阻断氧气从阴极向阳极的扩散，从而提高了整个反应器的库伦效率。本章首先验证了该种设计的可行性，并进一步考察了几个关键操作参数对WWMFC产电性能的影响。5．1反应器的启动将厌氧污泥与营养液按体积比l：4混合后，用蠕动泵以20ml／min的流速连续运行7天。在启动阶段外接电阻为200Q。这个阶段的目的是使细菌附着于电极表面。连续运行7天后改用不含污泥的营养液连续注入反应器，该步骤的目的是向附着在电极上的微生物提供足够的碳源和电子供体，使之逐渐开始以阳极为电子受体进行呼吸。在输出电压稳定后再连续运行两天。在前两个阶段结束之后，由于阴极表面也有生物膜形成，这可能会增加空气中的氧气向电极传质的阻力，为了不影响后续实验参数的测量，在该阶段结束后更换阴极材料。此时阳极电势基本稳定在．527到．536mV之间，输出电压稳定在280±15mV(13±0．04W／m3)。阳极表面有可以用肉眼观察到的微生物膜形成。这说明反应器启动成功。为了测试启动成功后的WWMFC的产电性能，我们测量了极化曲线。其结果显示，该 浙江大学博士学位论文溢流式降膜微生物燃料电池产电性能的研究反应器的最大功率输出密度为18．21W／m3,对应的电流密度为42．08A／m2,内阻为400Q。Hu等人设计的隔板式单室反应器(baffle．chamberMFC)的最大输出功率密度为4．38W／m3【681，Liu等人设计的无膜空气阴极单室MFC的最大输出功率密度为16W／m3[119]。相比与文献报道的这几种单室反应器形式，WWMFC在产电性能上略微较高。同时，通过对WWMFC库伦效率的测量发现，在外电阻为200Q，营养液中乙酸钠的浓度范围在100到2000mg／1时，库伦效率的范围为29．2％到39．5％。而在乙酸钠浓度为1000mg／1时，将外电阻从9000Q下降到10Q时，库伦效率可以从29．1％上升到了39．6％。该实验结果表明在WWMFC中，氧气能够被有效的阻断从阴极进入阳极，从而使得WWMFC具有较高的库伦效率。Currentdensity(A／m3)芋言嚅3图5．1WWMFC的极化曲线和功率曲线Figure5．1VolumetricpowergenerationandvoltageasfunctionofoperatingcurrentdensityinWWMFC．5．2操作参数对产电性能的影响5．2．1阴极强制曝气对产电性能的影响为了加速阴极表面氧气还原反应的速率，我们希望通过在阴极室强制曝气来加快氧气到电极表面的传质速率。当反应器启动成功后，阳极营养液中乙酸钠浓52r目、^cIo扫ls蜀∞々-o每。厶 浙江大学博士学位论文溢流式降膜微生物燃料电池产电性能的研究度控制为1000mg／l，外接电阻为200Q，蠕动泵流速控制在20ml／min，空气通过空气泵通入阴极室，空气流速控制在4m3／h持续约100分钟。图5．2显示在这个过程中反应器的输出电压几乎保持不变。因此，我们认为阴极强制曝气对提高WWMFC的产电性能没有帮助。主要原因是：在WWMFC中电流密度较低，大约是0．02mA／cm2,这么低的电流密度使得阴极表面的氧气传质速率不是产电的控制步骤。电流密度低主要是由于WWMFC内阻较大而造成的。另外一个使得强制曝气不能提高产电性能的原因是，在WWMFC中阴极面向空气的一面为溢流形成的液膜，这层液膜的存在使得氧气从空气向电极固体表面的传质速率下降，氧气在气液，液固两个界面间的传质速率成为控制步骤，而提高液体表面的空气流速无法提高氧气在两个两相界面之间传质速率。因此在后续的实验中，我们均采用被动空气扩散做为阴极氧气的供应方式。9昌i警=o>Time(rain)图5．2强制曝气对产电性能的影响(营养液流速=20mUmin，空气流速=4m3／h，外接电阻200Q)Figure5．2Effectofforcedairflowingthroughcathodeonpowergeneration(influentflowrate=20mUmin；akflowrate=4m3／h，R=200Q)．5．2．2流速对产电性能的影响由于在WWMFC中质子从阳极到阴极的传递主要靠营养液的溢流实现，因此WWMFC只能在连续流模式下运行，因此进水的流速成为一个重要的操作参53 浙江大学博士学位论文溢流式降膜微生物燃料电池产电性能的研究数。为了考察流速对产电性能的影响，我们选取了5ml／min．30ml／min之间6个不同的流速。在这部分实验中，营养液中乙酸钠浓度控制在1000mg／1，外电阻控制在200Q。图5．3反映了WWMFC最大功率输出密度和反应器内阻随流速的变化情况。从图中可以看出当流速从5ml／min上升到25ml／min时，反应器的最大功率输出密度快速从8．45W／m3上升到14．3W／m3，但是当流速继续上升至30ml／m3时，最大功率输出密度的增长缓慢。同时内阻的变化也出现了相似的趋势，从5ml／min增加到25ml／min时，内阻快速下降，当流速进一步增加时内阻下降速率趋缓。这主要原因是：在WWMFC中阴阳两极之间质子的传递决定着该型反应器内阻的大小。而在WWMFC中质子从阳极到阴极的传递速率由阳极室和阴极室之间的营养液流速控制。在低流速情况下，阴极表面的氧气还原反应的控制步骤是质子的传质速率，所以增加流速能很明显的提高产电性能。主要表现为最大功率输出密度的提高和内阻的下降。但是在高流速情况下，质子的传质速率已经能够满足阴极表面氧气还原反应，此时，阴极表面的氧气传质速率成为了控制步骤。所以在流速达到25ml／min之后继续提高流速对提高产电性能帮助不大。同时，随着流量的加大使得阴极表面的液膜厚度增加，这也进一步增加了氧气从气相向固体电极表面传递的阻力，阻碍了功率密度的进一步上升。因此不论内阻或功率曲线都呈现出先快后慢的变化趋势。因此，在WWMFC中可以通过在阴极材料表面负载能催化氧气还原的催化剂而有效提高功率密度。图5．3流速对最大功率密度的影响Figure5．3EffectofflowrateOIlmaximumpowerdensityandinternalresistance一日号行I．葺巴I．osi曼—-旨^o^oF—譬一产昌、参v扫馁甚々．19譬2一目昌一昌H矗夏 浙江大学博士学位论文溢流式降膜微生物燃料电池产电性能的研究5．2．3初始COD对产电性能的影响在本小节，我们考察了进水营养液中的初始乙酸钠浓度对WWMFC产电性能的影响。我们选取了O．1000mg／l范围内8个不同的初始乙酸钠浓度。并且记录了在不同初始乙酸钠浓度，外接200Q电阻的情况下，输出功率的变化情况。从图5．4中可以看出输出功率密度是随着初始乙酸钠浓度的增加而增加的。并且该趋势符合Monod方程。图5．4初始乙酸钠浓度对产电性能的影响Figure5．4Electricitygeneration懿afunctionofinitialsodiumacetateconcentration我们用Monod方程对该曲线进行了拟合。Monod方程如下所示：正‰南拟合结果为Pmx_18．82W／m3，IQ=227．4mg／1。这个结果与其他文献报道的在各种其他形式MFC中的Pm瓢，K相近【78．1舡1221。5．2．4育子强度对产电性能的影响离子强度通过控制氯化钠的浓度来进行调节。在实验中，进水流速控制在25ml／min。外接电阻为200Q。图5．5反映了最大功率输出密度和内阻随离子强度的变化情况。从图中我们可以看出，离子强度的变化对内阻和最大功率输出密度影响不大。该实验结论与其他文献报道有所不同‘鹋，1191。大多数文献报道，在H型双室反应器中提高溶液的离子强度可以有效地降低反应器内阻并进而提高产 浙江大学博士学位论文溢流式降膜微生物燃料电池产电性能的研究电性能。主要原因是在双室反应器中反应器中，由于阴阳两极之间的膜分隔，内阻由电极表面反应的过电势，跨膜过电势，和溶液的欧姆电阻以及电极、导线的欧姆电阻所组成，而增加溶液的离子强度可以在一定范围内有效地降低溶液的欧姆电阻和某些膜材料(阴离子、阳离子交换膜和双极膜)的跨膜电阻。但是在WWMFC中，由于采用了阴阳两极贯通的连续流运行模式，其质子传递很大程度上由营养液的流速所决定。所以在WWMFC中离子强度的增加对降低内阻不起显著作用。Ionlarength㈣图5．5离子强度对最大功率密度和内阻的影响Figure5．5Maximumpowerdensityandinternalresistanceasafunctionofionicstrength(216-616mM)．5．3本章小结1．由于该新型工艺中采用了双套筒溢流式的设计，将空气阴极和微生物阳极物理分隔开来。两极之间仅有单向流动的流体做为质子的通路。这种设计有效地抑制了空气阴极上的氧气向微生物阳极的扩散。由于不需要考虑空气阴极上的氧气扩散速率，从而使得空气阴极的制作工艺变得更加简便。同时，氧气扩散的抑制也使得阳极微生物的产电性能更加稳定，库伦效率得以提高。基于上述理由，WWMFC相比较其他形式的单室无质子交换膜反应器具有库伦效率高，产电性 浙江大学博士学位论文溢流式降膜微生物燃料电池产电性能的研究能好，其反应器结构有利于在实际应用中大型化，不需要制作工艺复杂的空气阴极等优点。2．参数优化实验表明，阴极强制曝气不能提高WWMFC的产电性能。流速是影响WWMFC产电性能的重要因素，提高流速能有效降低内阻提高功率输出密度。离子强度增加对提高产电性能没有影响。3．营养液中初始乙酸钠浓度和输出功率密度满足Monod方程，拟合结果显示该反应器的理论最大输出功率为18．82W／m3，半饱和常数K为227．4mg／1。57 浙江大学博士学位论文基于层流微流态装置的无膜微生物燃料电池及微生物电化学活性评价平台6基于层流徼流态装置的无膜微生物燃料电池及微生物电化学活性评价平台利用反应装置中的流态特点来分隔阴阳两极从而取代膜材料的应用是开发无膜BES的一个可行的思路。基于该思路，本章开发了一种利用微流态反应器中的层流特性来分隔阴阳两极的无膜MFC。层流是微流态装置的一个重要流态特征，它能够使两股不同的流体并排流动而不产生轴向混合。同样的思路已经被应用在化学燃料电池和酶生物燃料电池中【123，1241。虽然已有部分文献报道了基于微流态反应器的微升级的MFC，但是这些工作都采用了膜材料来分隔阴阳两极。这样不仅增加了系统的内阻和组装的难度与成本，还忽略了微流态装置内在的流态特征[50,51,72】。这种层流微流态装置除了被改造成为微型MFC之外，在本章中它被进一步构造为一种能够定量分析微生物电化学活性的通用平台。近年来BES的微型化逐渐成为该领域一个重要的研究方向。BES的微型化使之具有了更广的应用范围，可以应用在诸如微生物基础研究等领域。目前，一些具有微流态尺寸的非BES装置已经被用来作为微生物研究的平刨125m91。然而将微流态BES用于电化学活性微生物的研究还处于起步阶段。到目前为止，仅有少量文献报道过利用小型BES从环境样品中筛选电化学活性微生物【701。在本章中，利用上述层流微流态BES来测试不同化学冲击对电化学活性微生物活性的影响。G．sulfurreducens被选择作为模型电化学活性微生物。由于废水处理中废水成分的复杂性，一些短期的化学冲击会对电化学活性微生物的活性造成影响。因此，确定不同化学冲击对微生物活性的影响是优化基于BES的废水处理工艺，保证其正常稳定运行的重要工作。但是传统的实验室级别的反应器(几十～几百毫升)由于其内部的传质，流体速度分布的不明确、不可控及其较长的水力停留时间等特点，使其不适合作为研究短期化学冲击对微生物电化学活性影响的研究平台。而本论文中介绍的基于微流态BES的分析装置具有相较于G．sulfurreducens倍增时间(～6小时)小得多的水力停留时间(2分钟)和反应时间(小于21分钟)[130】。这为我们精确 浙江大学博士学位论文基于层流微流态装置的无膜微生物燃料电池及微生物电化学活性评价平台研究不同化学刺激对同一世代细菌的电化学活性的急性影响提供了可能，排除了由于细菌的繁殖对实验结果造成的误差。6．1基于层流微流态装置的微生物电化学系统的启动该微流态BES首先以恒电势仪控制下的两电极体系模式运行，工作电极电势被恒电势仪控制在700mV(v．S．对电极)。运行该系统的第一步为接种。接种菌液被通过进样阀注射入管道，注射器泵以2gl／min的速度将菌液泵入徼流态装置。当菌液到达电极时，注射器泵被关闭2．10小时，以保证菌液有足够的时间停留在电极上。在这段时间内，细菌能够利用电极作为电子受体进行呼吸生长。随后注射器泵被重新打开，泵入含50mM乙酸钠的FW阳极液使得细菌能够获得足够的电子供体。在本装置中层流是最为关键性的因素。因为在两电极体系中，对电极上的唯一电子受体是水，水分子在接受电子后会生成H2和OH。根，这将使得阴极液的pH值上升。同时产生的H2是一种可以被G．sutfurreducens利用的电子供体。因此如果没有层流的存在，阳极的pH会上升而对微生物的生长造成影响。同时由于H2的存在使得阳极的电化学环境变得不稳定。这些都不利于该微流态装置作为定量研究微生物电化学活性的分析平台。因此，我们利用显微镜对装置内的流态以及微生物膜的形成进行了观察。在图6．1a中，装置内的层流流态清晰可见，两种颜色流体在层流情况下不存在混合的情况，在界面附近的混合主要是由于扩散作用所引起的。在装置连续运行32天后，装置内阳极上的微生物膜已经肉眼可见。从显微照片上也可以清晰看到微生物膜的存在(图6．1b)。在对电极靠近中间一侧由于高电流密度，电极表面遭到损坏呈黑色。随着生物膜的形成，该体系所产生的电流在接种后大约2天左右开始上升，并在运行10天之后达到最大值。这意味着微生物膜在这个过程中逐渐形成(图6．2)。同时，我们也在微生物膜形成阶段用循环伏安法对微生物膜的生长情况进行了监控。从循环伏安结果(图6．3)可以看出与G．s．tfurreducens细胞膜表面的细胞色素c相对应的氧化还原峰随着时间增长而不断升高，尤其是在进入指数增长期后，峰高的变化尤其明显。这说明，电流的升高，微生物膜的形成过程也是一个细胞色素c不断积累的一个过程。59 浙江大学博士学位论文基于层流微流态装置的无膜微生物燃料电池及微生物电化学活性评价平台A爹萝b爹eh蕊礁吼eⅢ《睑翻吼砩剑图6．1在恒电势两电极模式下：a)装置中的层流；b)在运行32天后阳极上的微生物膜。Figure6．1Resultsofpotentiostatllt—controlledBES：(a)Microscopeimageoflaminarflowinthemicrofluidicchannel；(b)microscopeimageofbiofilmontheanodeafter32daysinbrowncolor．《iCoL3UTime(Day)图6．2恒电势两电极模式下的微流态BES中电流的产生。Figure6．2CurrentproductioninmicrofluidicpotentiostaticallycontrolledBES． 浙江大学博士学位论文基于层流微流态装置的无膜微生物燃料电池及微生物电化学活性评价平台雪营§UE(、，)图6．3徼流态装置中微生物膜形成阶段的循环伏安结果Figure6．3CVresultforbiofiimformationstageinthemicrofluidicdevice6．2基于层流微流态的无膜微生物燃料电池该装置在恒电势双电极模式下接种成功后，该装置被转换到MFC模式。以此来考察基于层流微流态装置的无膜MFC的可行性。在MFC模式下，原本的阴极液被含20mM铁氰化钾的FW基础盐溶液所替换。阴阳两极之间用10陋的电阻相连。由于在恒电势双电极模式阶段，G．sulfurreducens的微生物膜已经在电极上附着并达到稳定状态。所以在切换到MFC5个小时后，阴阳两极之间的电压迅速上升到21mV，开路电势在15小时后达到了600mV。通过极化曲线和放电曲线的测量可知，最大输出功率密度在电流密度为1375～m3时达到378．13W／m3(图6．4a)，其相对应的内阻为200豳。本装置的产电性能优于文献报导的其他类似装置【50’51，721。然而，在启动装置时，为了保证细菌生长环境的严格厌氧，我们在阳极液中加入了0．01％的半胱氨酸／硫化钠作为氧气捕获剂。而该物质的氧化还原电势低于阴极的电子受体铁氰化钾的氧化还原电势，故理论上这两种物质可以在电极上发生非生物相关的电化学反应。而这种反应可能会产生测量的背景值。因此，需要通过背景实验来扣除该背景值。背景实验是指在完全灭菌的装置中以含0．01％半胱氨酸／硫化钠的FW营养液为阳极液，以含20mM61 浙江大学博上学位论文基于层流微流态装置的无膜微生物燃料电池及微生物电化学活性评价平台铁氰化钾的FW基础盐溶液为阴极液在与实验相同的流速条件下测试其产电性能。实验结果显示在背景实验中，产生的最大功率密度低于0．2W／m3这仅仅占有微生物存在的实验中最大功率密度的0．05％，所以可以忽略不计。Choi等人在2011年报道了一个功率密度达到2300W／m3的微流态反应装型7¨。但是他们在运行该该装置时采用含0．25％半胱氨酸的阳极液和含100mM铁氰化钾的阴极液。由于电子供体和电子受体的浓度均相对较高，故有可能形成较高的非生物相关的背景电流，而他们报道的功率密度值并没有扣除这部分可能的背景值，所以其结果有可能高估了他们徼流态MFC的产电性能。为了验证我们的猜想，我们设计了如下实验：在我们开发的层流微流态装置中，以含0．25％半胱氨酸的FW营养液为阳极液，以含100mM铁氰化钾的FW基础盐溶液为阴极液，在灭菌的条件下，进行了背景实验。数据显示当存在这样高浓度的电子供体和受体情况下，非生物相关的背景值达到了116．7W／m3。所以Choi等人的实验结果很可能过高地估计了他们的微流态装置的产电性能。虽然微流态装置中的层流大大降低了阴阳两极之间液体的混合，但是在两液体接触介面上的扩散作用还是无法避免的。由于在阳极液中我们加入了0．01％的半胱氨酸／硫化钠做为氧气捕获剂，而在阴极液中含有20mM的铁氰化钾，这两种物质由于扩散作用而相互混合并反应生成了单质硫沉淀。这种沉淀在通道内不断积累，在大约20小时之后硫沉淀堵塞了通道，破坏了MFC内的层流，产电性能出现下降(图6．4b)。该问题可以通过取消阳极液中的氧气捕获剂，仅依靠装置外的N2／C02环境保证厌氧来解决。62 浙江大学博士学位论文基于层流徽流态装置的无膜微生物燃料电池及微生物电化学活性评价平台图6．4MFC模式下运行结果：a)极化曲线(红色三角)与功率曲线(黑色方块)；b)MFC外接10豳电阻情况下电能的输出。Figure6．4ResultofMFCmode：a)Polarizationcurve(redtriangle)andpoweroutput(blacksquare)；andb)voltageproductionacross10K．QinMFC．6．3基于层流徼流态装置的微生物电化学活性评价平台层流微流态BES启动成功之后，该装置进一步被作为分析不同化学刺激对G．sulfurreducens的电化学活性的影响的评价平台。由于G．sulfurreducens能够与电极进行直接电子传递，因此_电流成为了评价其电化学活性的一个良好指标。虽然已有部分文献报道了对该其电化学活性的研究，但是这些研究大多利用实验室规模的反应器。在这类反应器中，1)由于反应器的尺寸原因，传质和速度分布均会影响实验结果；2)水力停留时间长，不适合用于研究短期化学冲击对细菌电化学活性的影响以及实现对多种不同化学冲击的快速筛选。本文中搭建的微升级的层流微流态BES，其内部具有稳定的电化学环境和明确的传质及流态分布，这能有效地减小实验误差，为精确定量地分析化学冲击对G．sutfurreducens的电化学活性的影响提供了可能。63 浙江大学博上学位论文基于层流微流态装置的无膜微生物燃料电池及微生物电化学活性评价平台本实验中每种化学刺激的进样量均为20¨l，细菌暴露于每种化学刺激的时间均为2分钟，所有实验都进行三重平行。第一种选取的化学物质是延胡索酸钠，因为该物质可以作为G．sulfurreducens的电子受体。由于当该物质存在时，新陈代谢过程中产生的电子将最终被传递到延胡索酸而不是电极，所以该物质的注入会引起电流会短暂性的下降。因此延胡索酸纳可以被用来测试整个系统是否正常运行。实验结果表明当140mM的延胡索酸钠被注射入装置后原本已经相对平稳的电流下降了17．4±0．8％(注射前的电流为8．3衅，电流下降最大值为1．447_+0．063衅)。因此，根据注射该种物质所得到的结果证实了整个系统的设计与运行一切正常。第二种化学刺激是氧气。虽然G．sulf引frreducens是一种严格厌氧微生物【5，24,1311，但是近来有文章报道指出G．sutfurreducens可以以氧气作为电子受体来进行呼吸【1321。所以，我们希望通过该装置来考察氧气对其活性的影响情况。实验结果表明：在注射入含0．27mM氧气的FW营养液后，电流下降了3．7±0．05％(注射前电流为4．21衅，电流下降最大值为0．157±0．002衅)。氧气被完全排出系统后，电流又恢复到了原先的水平。这个结果说明将G．sutfurreducens暴露在该浓度的氧气中2分钟不会对其造成不可逆的毒害作用。第三种化学刺激是腐植酸的类似物二硫蒽醌(AQDS)。之前有报道指出AQDS可以对细菌与土壤中三价铁之间的电子传递起到中介作用。所以，通过该实验可以初步验证AQDS是否也可以对G．s“驰rreducens与固体电极之间的电子传递起到中介作用。在注射入含980山AQDS的FW营养液之后，电流迅速增长了28．5±1．6％(注射前的电流为7．5衅，电流增加的最大值为2．137__．0．123衅)。在AQDS被冲出后，电流又迅速回落。该结果表明AQDS可以对17．sutfurreducens与固体电极之间的电子传递起到中介作用。在完成上述实验之后，我们还利用该装置测试了其他三种细菌的内源性电子介体对G．sutfurreducens产电性能的影响，这三种电子介体分别为：1)5451．tM的pyrroloquinolinequinone(PQQ)，这是一种细菌中比较常见的氧化还原性物质，它可以被细菌多次氧化还原‘B31；2)2州的核黄素，核黄素是另一种电化学活性细菌SonedensisMR．1的内源性电子介体。近来有研究初步表明核黄素和细胞色 浙江大学博士学位论文基于层流微流态装置的无膜微生物燃料电池及微生物电化学活性评价平台素c可能可以形成某种形式的聚合物对电子传递产生中介作用。通过考察该种物质对G．sulfurreducens的影响可以初步考察通过将&onedensis与G．sulfurreducens共生来提高其产电性能的可能性。；3)0．025州的绿脓菌素，绿脓菌素是尸．aeruginosa产生的吩嗪类电子介体中的一种。通过该实验可以初步判断尸．aeruginosa与G．s材珈rreducens共生的可能性。实验结果显示：当注射入这三种化学物质后，电流均出现了下降(图6．5)。但是，为了确定上述电流的变化是由于G．sul#rreducens的电化学活性的改变所引起的而不是由于注射这个过程造成的流态变化所或者是由于注射的化学物质与电极之间非生物相关的化学反应所引起。我们通过控制实验和背景实验分别来排除这两种可能性。控制实验是指向微生物膜已经形成的装置注射不含化学刺激的普通FW营养液来获得流态变化所引起的背景值。背景实验是指向一个灭菌过的装置注射含上述6种化学物质的FW营养液来获得这些化学物质与电极之间的非生物相关反应所造成的背景值。并将这两组背景实验数据与最初的实验数据进行统计分析来确定实验中得到的电流变化是否是显著高于这些背景值。统计分析结果显示胡延索酸、氧气和AQDS对G．sulfi,rreducens的电化学活性影响是显著的，而PQQ，核黄素和绿脓菌素对其电化学活性的影响是不显著的，注射这些物质所引起的电流变化很可能是流态变化和一些非生物相关反应所引起的(图6．6)。根据该结果可得出如下结论：这三种可以被其他微生物作为电子介体的物质均不能被G．s材弘rreducens利用来加速细菌与电极之间的电子传递。这也从一个侧面反应了内源性电子介体对电子传递中介作用的特异性。另外，氧气和AQDS对G．sulfurreducens的产电性能有较大的影响。而氧气和AQDS是普遍存在于G．sulfurreducens自然生存环境中影响因子。因此，上述实验证明了该实验平台被用以快速筛选影响微生物产电性能的环境因素。由于PQQ，核黄素和吩嗪类物质是其他微生物产生的电子介体类物质。因此上述研究结果为在BES中研究G．sulfurrrducens和其他产电微生物之间的相互影响提供了一个参考的依据。综上所述，该装置是一个在电化学活性微生物研究领域多功能、定量、快速分析平台。 浙江大学博士学位论文基于层流微流态装置的无膜微生物燃料电池及微生物电化学活性评价平台ad6．106．056．OO5．95S．905．855．805．75¨gTimelHour)墨=C塞；oTimelHour)be4．344。驼4．304．284．264．2．I4．224．204。18TimelHour}O．OO』O．81．21。蠢2．OTime{Hour)CTime(Nour)TimelHourl图6．5短时间暴露于不同化学刺激对G．sulfurreducens电化学活性的影响：a)含140mM胡延索酸钠的FW营养液；b)含0．27mM氧气的FW营养液(无半胱氨酸．硫化钠)；c)含980“MAQDS的Fw营养液；d)含0．55pMPQQ的FW营养液；e)含2pM核黄素的FW营养液和f)含0．02pM绿脓菌素的FW营养液。Figure6．5TheeffectofshorttermexposureofdifferentchemicalstimuliontheelectrochemicalactivityofG．su／f,,rreducens(h=heightofthepeak)．(a)140mMsodiumfumarateinFWmedium；(b)0．27mMoxygeninFWmediumwithouteysteinesulfide；(c)980pMAQDSinFWmedium；(d)O．55IxMPQQinFWmedium；(e)2pMriboflavininFWmedium；and(f)0．02pMPYOinFWmedium．一{一_130一『’，3-c2-了Q一鼍一薹奄jJ3Q 浙江大学博上学位论文基于层流微流态装置的无膜微生物燃料电池及微生物电化学活性评价平台，^薯=gkt-5八·—--—·signal··----abioticbackground·---—·negativecontroY厂V＼／，!弋厂弋厂●／≯爹霉，图6．6微生物电化学活性对化学刺激的响应(红色)与单纯注射FW营养液对电流的影响(蓝色)以及在无细菌的装置中单纯注射化学刺激对电流产生的影响(黑色)之间的比较Figure6．6Comparisonbetweenbacterialcurrentproductionresponsestodifferentchemicalstimuli(red)，bacterialcurrentproductionresponsestosolelyFWmedium(blue)，andcurrentproductionresponsestodifferentchemicalinjectionswithoutbacteria(black)6．4本章小结1．成功构建了基于层流微流态装置的微升级BES，并成功在装置内接种了电化学活性微生物G．sulfurreducens．2．将该微流态BES以MFC的模式运行，最大输出功率可以到达378．13W／m3。但是由于扩散作用，阳极液中的半胱氨酸和阴极液中铁氰化钾会相互反应生成单质硫沉淀而堵塞通道，最终使得MFC丧失产电能力。3．以恒电势双电极模式运行该微流态BES，测试了6种不同化学物质对G．sulfurreducens的电化学活性的影响。结果显示AQDS可以有效地对细菌到电极之间的电子传递起到中介作用。暴露于0．27mM的氧气2分钟对G．sulfurreducens不会引起不可逆的毒害作用。67O5O5O5O52l0l 浙江大学博士学位论文基于电化学活性细菌的逻辑与门的构建7基于电化学活性细菌的逻辑与门的构建基于BES的废水处理工艺相比于传统的废水生物法处理，其工艺条件更加复杂。常规的监测手段不能满足对该工艺的各个参数进行监测和控制的要求。另一方面，在基于BES的废水处理装置中大量存在着电化学活性微生物。它们产生的电流信号可以准确、原位、实时地反映整个装置中各种参数的变化。因此如果能够构建一个以电化学活性微生物为感应核心的微生物传感器，就可以利用这种传感器对整个BES装置的运行情况进行监测。而且如果可以将单信号输入的生物传感器进一步改进为可以同时感应多路信号，并根据多路信号之间的逻辑关系来控制其电流的产生，我们就可以构建一种基于电化学活性微生物的逻辑门元件。该类元件为将来利用BES中的细菌对基于BES废水处理工艺实现自我智能逻辑控制提供了可能。目前与上述思路具有类似功能的基于酶燃料电池的逻辑门系统已有大量研究【1341。这些基于酶燃料电池的逻辑门能利用特定的酶反应来逻辑处理输入信号。但是这些逻辑门元件对操作环境要求高，使用寿命短，因此无法满足在实际废水处理中应用的要求。本章我们利用具有生物电化学活性的微生物PaeruginosaPAl4lasI／rhlI双变异体来构建基于BES的逻辑与门(ANDgate)。该逻辑门以两种群感效应信号分子为输入信号，以该电化学活性细菌产生的电流为输出信号。通过群感效应层级系统来调控相关的基因的表达来控制吩嗪类物质．电子介体．的产生，从而实现逻辑控制输出电流的目的。这就是该基于BES的微生物逻辑与门的基本原理，其具体实现过程在后续的章节中将加以详细叙述。与传统的基于酶BES的逻辑门相比，我们用细菌取代了酶来作为核心部件。这使得微生物逻辑门系统具有如下优点：1)对环境要求低，酶活性受环境的影响很大，仅能在某些特定的环境条件下工作，而细菌对环境的适应能力强；2)细菌能够自我再生。酶的寿命短而且不能自我再生，但是细菌在合适的条件下可以不断地自我再生。这使得利用细菌来取代酶之后，大大延长了使用寿命；3)成本低。在利用恒电势三电极体系实现该逻辑与门后，同样的微生物核心部件被引入到MFC系统中，利用MFC自我供电的特性，进一步搭建了能自驱动、无需外供能量的逻辑与门。 浙江大学博士学位论文基于电化学活性细菌的逻辑与门的构建7．1基于只aez也ginosaPAl4lasI／rhlI双变异体细首逻辑与门的原理在P．aeruginosaPAl4lasI／rhll双变异体细菌中，las和砌，层级系统是两个重要的控制细菌之间通讯交流(即群感效应)的调控系统。群感效应是指细菌依据环境中的细菌密度，通过自身分泌的信号因子来控制细菌密度的调控系统‘”51。对于尸．aeruginosaPAl4野生菌种来讲，它们能分泌两种信号分子：3-oxododecanoylhomoserinelactone(3一OXO—C12一HSL)和N-butanoyl-l·homoserinelactone(C4．HSL)。它们分别由LasI和RhlI两种诱导蛋白分泌。当环境中细菌密度达到一定水平时，这两种信号分子由于积累到一定的浓度而被LasR和RhlR两种受体蛋白感应到，随后整个细胞内相应的基因系统被启动。细菌自身开始分泌一些致病因子来杀死其他细菌从而降低环境中的细菌密度【1361。P．aeruginosa中phz操纵子便是在las／rhl系统调控下的一个基因系统【乃7】。该系统能控制吩嗪类物质的生成。P．aeruginosa利用吩嗪类物质和氧气反应生成双氧水的特性，来控制其他细菌的数量。同时，吩嗪类物质也是BES中的电子介体，能够将电子从细胞传递到固体电极表面。因此当系统中两种信号分子同时存在时，群感效应的层级调控系统可以激活phz基因来产生吩嗪类物质，并最终使得BES中电流的上升。该机理如下图所示【24】：《．÷3-oxo·C12一HSLC，．4一HSL习一j团专匹t一——r一——一——一———J———_r—I_LJh——一———————_一—●——f—‘L——●‘图7．13-oxo—C12一HSL和C4一HSL控制P．aeruginosaPAl4lasI／rhlI双变异体产电性能示意图Figure7．1Simplifiedillustrationofhomoserinelactone—controlledphenazinesynthesisbyP．acruginosa．烹 浙江大学博士学位论文基于电化学活性细菌的逻辑与门的构建在本章中使用的PaeruginosaPAl4lasI／rhlI双变异体细菌被删除了lasI和rhlI两个诱导基因，故其不能自身分泌这两种信号分子。但是这种细菌依然具有LasR和RhlR两种受体蛋白，依然可以感应这两种群感效应信号分子。该变异体的这种特征使得通过添加3-oxo．HSL和C4．HSL来控制BES中的电流产生成为了可能。当细菌在感应到这两种信号同时存在时，phz基因被群感效应层级系统激活，开始产生电子介体，进而使得系统产生的电流上升。当细菌仅仅感应到一种信号分子或没有感应到信号分子时，phz基因不能被激活或者仅能被部分激活，所以产生的电子介体浓度相对较低，BES产生的电流水平较低。7．2基于M3C的逻辑与门的构建该逻辑与门首先被构建在M3C体系中，输入输出信号的定义为：对于输入信号，这种两种信号的存在状态(浓度为15gM)被定义为1，不存在则被定义为0。对于输出信号，当输出电流高于0．29mA时，输出信号被定义为l，低于0．29mA时则被定义为0。在工作电极电势被恒定控制在O．3V(v．S．Ag／AgCl)的条件下，对反应装置进行接种并培养1．2天。该阶段不输入任何群感效应分子，目的是使细菌密度达到一个稳定水平，以保证在加入信号分子后该体系能更加快速的产生吩嗪类物质。由于这种双变异体不能产生电子介体，这个阶段细菌不能利用电极作为电子受体进行呼吸。唯一的电子受体是溶液中的溶解氧和少量的硝酸根。因此该阶段，整个体系仅能产生极低水平的电流。在OD600达到稳定后，加入3-oxo．C12．HSL和C4．HSL的不同组合信号。为了使不同输入信号情况下的输出信号之间的区分度达到最大，我们在进行了几组初步实验后确定了在加入输入信号后115小时后的电流值为输出信号。较长的采样时间主要是由于电子介体的产生由细菌新陈代谢速率所控制，因而其产生速率较为缓慢。在四种不同输入信号组合情况下系统中电流的产生情况如图7．2所示：当输入信号为(1，1)时，由于两种群感效应信号的存在使得phz操纵子被激活大量产生电子介体，从而导致输出电流超过了设定的阈值，输出信号为1．当输入信号为(0，0)或(1，0)时，phz操纵子无法被激活，故只有少量的电子介体产生导致了输出电流低于闽值，输出信号为0。当输入信号为(0，1)时，即只有C4．HSL存在时，phz操纵子被部分激活，产生了一定量的电子介体，但是由70 浙江大学博士学位论文基于电化学活性细菌的逻辑与门的构建于浓度有限输出电流依然无法超过闽值，输出信号为0。为了更加明确地分析该逻辑门的特性，我们将四种情况下，加入信号115小时后的电流值以柱状图加以表示。从输出信号的柱状图中可以看出，不同输入信号情况下，输出信号呈现清晰的与门特性，即当两个输入信号同时存在时(1，1)，输出信号显著高于其他情况(图7．3)。为了确保该结论的正确，我们进一步对结果进行双因素双水平的ANOVA分析。结果显示当输入信号为(1，1)时，输出信号显著高于其他三种情况(p=0．001)。在整个过程中，我们还对反应器每24小时进行一次循环伏安测试。从输入信号为(1，1)的反应器的循环伏安的结果可以看出在两种群感效应分子同时存在时，与吩嗪类物质相对应的氧化还原峰随着时间不断升高，据此可以初步判断吩嗪类电子介体在反应装置中不断积累(图7．4)。为了进一步确认吩嗪类物质的浓度，我们运用HPLC．MS．MS对不同时间点的吩嗪浓度进行了测定。从图7．5可以看出在加入两种群感效应分子的反应器中，吩嗪浓度显著高于其他三种输入信号组合。这与输出电流的相对关系是一致。图7．2在不同输入信号情况下恒电势三电极体系中电流产生情况Figure7．2CurrentproductioninpotentiostaticallycontrolledBESsforfourdifferentinputcombinations．71 浙江大学博士学位论文基于电化学活性细菌的逻辑与门的构建AJ_、<一C、。．一■-●CoE：UInput囵0lICInputAInputBOutput图7．3A)基于M3C的逻辑与门在不同输入信号组合下的输出信号图；B)与该逻辑门对应的真值表；C)与该逻辑门对应的等效电路Figure7．3(A)Phenazine-basedcurrentproductioninpotentiostaticallycontrolledBESsforfourdifferentinputcombinations；standarddeviationfromatleasttriplicateexperiments．Thedashedlineshowsthethresholdthatseparatesoutput0and1．(B)Truthtableforthebacteria-basedANDlogicgate．(C)EquivalentcircuitofanANDlogicgate．E(V)图7．4在输入信号为(1，1)的反应器中循环伏安结果Figure7．4cVresultsforthereactorⅥ，itlltheinputcombinationof(1，1】 浙江大学博士学位论文基于电化学活性细菌的逻辑与门的构建Time(hour)图7。5不同输入信号情况下吩嗪类物质的浓度随时间的变化。Figure7．5PhenazineproductioninM3CmodeANDgateatdifferentinputsignalcombinations7．3基于l腻的自驱动逻辑与门的构楚除了利用M3C来构建逻辑与门外，同样功能的逻辑与门还被构建在MFC中。在该情况下，输入信号的定义与M3C体系中一致，而输出信号被定义为MFC的最大输出功率(MPD)。MPD是通过测量极化曲线获得的。从图7．6中可以看出，当输入信号为(1，1)时，MPD达到了1．69±0．41mW／m2。而其他三种情况下MPD分别仅为0．62±0．36mW／m2；0．56±0．3mW／m2；0．72+0．37mW／m2。对结果进行双因素，双水平的ANOVA分析显示当输入信号为(1，1)时MPD显著高于其他情况(p：0．015)。通过将输出信号的阈值设定在1．19mW／m2，该逻辑门为与门。在基于MFC的逻辑与门中，阳极的电势通过阴极控制在相对正值，使得户．aeruginosaPAl4lasI／rhlI双变异体可以利用阳极进行呼吸作用。由于MFC体系的运行无需外界能量的输入。这使得该基于MFC的逻辑门系统成为一个自驱动系统，无需任何外加能量的逻辑元件。然而这也使得在该体系中，输出信号的大小同时受阴阳两极的性能共同影响，因此阴阳两极的性能波动会在输出信号中积累，使得该情况下输出信号的误差相较于M3C体系下的逻辑与门 浙江大学博士学位论文基于电化学活性细菌的逻辑与门的构建有所扩大。同时在实验中我们也观察到，阴极室中电子受体铁氰化钾会有不同程度的扩散到阳极室的情况发生，这也使得输出信号变得不稳定，误差值变大。为了验证在该体系中输出信号大小的不同是由于吩嗪类物质浓度不同造成的，我们对该体系中吩嗪类物质的浓度进行了测定。从图7．7中可见，当两种群感效应分子同时存在时，吩嗪类物质的浓度显著高于其他三种情况。74图7．6基于MFC的逻辑与门在不同输入信号情况下的输出信号Figure7．6Phenazine-basedMPDsinMFCsforfourdifferentinputcombinations；standarddeviationfromquadruplicateexperiments．Thedashedlineshowsthethresholdthatseparatesoutput0and1．图7．7基于MFC的逻辑与门在不同输入信号情况下吩嗪浓度随时间的变化Figure7．7PhenazineproductioninMFCmodeANDgateatdifferentinputsignalcombinations 浙江大学博士学位论文基于电化学活性细菌的逻辑与门的构建7．4基于电化学活性细菌的逻辑门技术展望细菌的新陈代谢过程极其复杂，成千上万的基因在不停的表达。然而即使在如此复杂的新陈代谢过程中，我们依然实现了将两个生物化学信号转变为一个清晰的数字信号。但是目前这种生物逻辑门系统的信患处理速度依然太慢(需要115小时)，如何提高输入信号的处理速度是下一步的研究方向。本论文中设计实现的基于MFC的自驱动逻辑门系统可以在某些无法提供电源情况下，实现包括自动感应、分析、信号输出的一整套智能控制过程。同时P．aeruginosaPAl4是一种非常常见的致病菌，可以感染人体，动物和植物。我们这套基于检测，分析生物特征分子的逻辑与门系统为实现长期监测P．aeruginosa感染提供了可能。在基于BES的废水处理工艺中，大量存在电化学活性的微生物或微生物种群，如果利用这些在废水处理过程中自然存在的电化学活性微生物来构建生物逻辑门系统则有可能实现利用微生物逻辑门系统来监测和控制基于BES的废水处理、污染修复等过程，甚至于实现这些过程的自我智能化控制。7．5本章小结l、通过利用群感效应控制P．aeroginosaPAl4lasI／rhU双变异体细菌产生吩嗪类物质可以在M3C中实现基于细菌的逻辑与门。2、在MFC体系中构建基于相同原理的细菌逻辑与门可以将其改造为自驱动的智能系统。3、M3C系统与MFC系统相比，由于前者系统的电化学环境更加确定，输出信号更加清晰。4、基于电化学活性微生物的逻辑门元件为原位、实时地智能控制废水处理装置的提供了可能。75 浙江大学博士学位论文结论与建议8结论与建议微生物电化学系统是近年来的研究热点，其在废水处理，温室气体减排，生物传感器，氢气或其他新能源的开发方面受到了广泛的关注。本文以BES在废水处理工艺开发及其智能控制方面的应用为着眼点开展了一系列的研究。8．1主要结论1．利用MFC阴极还原能力可以有效地处理高浓度含铬电镀废水。在pH=2，以石墨纸作为电极材料的情况下处理含204ppm铬的电镀废水。在外接电阻为1000Q的情况下，处理25小时，六价铬和总铬的去除率分别达到了99．5％和66．2％。最大输出功率密度为1600mW／m2。该工艺克服了传统化学法和生物法的缺点。其主要优势有：a)处理效果好；b)能利用微生物来处理高浓度生物毒性强的含铬电镀废水；c)污泥产生量小和d)可以从废水处理工程中回收电能。2．利用MFC阴阳两极的厌氧、好氧环境可以将MFC与传统的A／O工艺相结合。在处理含偶氮染料废水的过程中，阳极室可以有效破坏偶氮键，阴极室可以有效降解由于由于偶氮键破坏而生成的芳香胺物质。该新型A／O．MFC集成系统可以实现利用MFC处理合难降解有机物废水并从中回收电能的目的。3．针对传统单室MFC缺点而开发的新型溢流降膜式MFC为MFC的工业应用提供了新的思路。该新型MFC有效得解决了空气阴极的氧气扩散对阳极微生物的毒害作用，最高库伦效率可以达到39．6％。4．利用微流态反应器中的层流特点来分隔阴阳两极，构建了一种层流微流态无膜MFC。该型MFC可以输出高达378．6W／m3的功率密度，为开发驱动小型移动式电源提供了新的思路。本论文中所用的基于层流微流态的BES，进一步被作为研究废水处理中某些化学冲击对微生物电化学影响的一个通用平台。利用该平台测试了胡延索酸、氧气、AQDS、PQQ、核黄素和绿脓菌素等化学刺激对G．sulfurreducens的电化学活性的影响。76 浙江大学博士学位论文结论与建议5．首次开发的基于电化学活性微生物的逻辑与门是为实现基于BES的废水处理工艺和装置的自我智能控制的基础性研究。该微生物逻辑与门以PaeruginosaPAl4lasI／rhlI为核心部件，以群感效应分子为输入信号，通过群感效应层级系统有效得转换为清晰的数字输出信号。8．2主要创新点1．利用MFC阴极的还原能力处理废水。对含高浓度六价铬的电镀废水处理中达到了良好的效果，并从中回收了电能。2．将MFC与传统A／O工艺相结合搭建了A／O．MFC集成系统，并利用该系统处理了含难降解偶氮染料刚果红的废水。3．构建了溢流降膜式MFC，创新性地利用反应器中的流态来达到摒弃膜材料的目的。为MFC在实际废水处理工程中的应用提供了可能。4．利用层流微流态反应器中的流态特征，开发了一种新型的微升级无膜MFC和一种基于层流微流态BES的微生物电化学活性评价平台。5．首次开发出了基于BES的微生物逻辑与门。实现了以PaeruginosaPAl4lasI／rhlI双变异体为处理核心，以生物化学分子为输入信号，以电流为输出信号的逻辑与门。8．3存在的问题及建议1．本文在涉及利用微生物电化学系统处理废水部分均采用MFC，虽然该技术可以从废水处理过程中回收一部分电能，但是功率密度普遍偏低无实际利用价值。可以考虑用MEC来处理废水，利用微生物的催化性能来强化某些电化学氧化还原过程。2．本文中设计开发的利用阴极还原处理含铬电镀废水的装置中，使用未经修饰的石墨纸电极。但是该电极存在着长时间使用后表面被不导电的三氧化二铬层覆盖，最终可能导致电极失效的问题。因此在后续研究中建议开发一种电极再生工艺来延长电极的使用寿命。 浙江大学博士学位论文结论与建议3．本文中开发的WWMFC反应装置虽然可以产生较高的功率密度，并有效提高了库伦效率。但是该型反应器中阴极性能始终是限制产电性能提高的一个因素。后续可以考虑在阴极上负载催化氧气还原的催化剂来有效提高该反应器的性能。4．本文中开发的基于层流的微流态MFC，运行上依然不稳定，任何小的流速波动都会造成阴阳两极溶液接触界面的移动而造成短路。故应该利用计算流体力学，通过模拟计算确定最佳流速比例。同时通过改进反应器构造来优化产电性能。5．本文中开发的基于BES的微生物电化学活性评价平台，目前只被用来分析不同化学刺激对产电的影响。下一步应该考虑利用徼流态反应器中稳定的电化学环境，明确的速度分布等优势来对电化学活性微生物进行更深入的研究。6．本文中所构建的基于群感效应的微生物逻辑与门，响应速度慢，需要100小时以上才能输出信号。下一步工作的重点应该放在如何提高处理速度上。另外构建基于BES的智能控制系统需要有多种逻辑门元件的配合使用。目前仅开发出了与门系统。下一步应该致力于开发或门、非门、与非门等一系列的元件，并考虑如何将这些元件连接使用。 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