沉積型微生物燃料電池對污染底泥中重金屬Cr(Ⅵ)去除的研究

馬彥濤，杜征宇，王 旭，黃種買

（1. 中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2. 武漢大學資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079）

近幾十年來，河流水體受到的污染越來越嚴重[1]，逐漸威脅到我們的生活，而底泥作為河流水體中污染物最大的“匯”與最大的“源”，其危害巨大。美國的大湖地區、德國的漢堡港、萊茵河流域以及荷蘭的阿姆斯特丹港口等地區的底泥中含有大量的污染物，對環境造成嚴重污染[2]，并且該污染為二次污染，不僅威脅水體中的植物和動物，甚至會危害人類健康[2?4]。隨著國家對水體污染的治理越來越重視，河流水體環境得到改善，但底泥中大量的污染物仍是一個巨大的隱患[5]?，F階段有越來越多針對河流底泥污染物治理的措施與方法，如傳統底泥污染治理方法中的物理方法、化學方法及生物生態方法等，這些方法有一定的適用性，但成本較高?？紤]到目前能源危機不斷凸顯，更加節能、有效、適用的治理方法成為底泥污染治理的研究熱點。

沉積型微生物燃料電池（SMFC）是將陽極置于厭氧的底泥中，陰極懸在底泥上方的好氧水體中，通過陽極表面微生物的代謝作用，使得底泥中的有機物發生厭氧降解，產生電子和質子，電子通過外接導線傳遞給陰極附近水體中的氧化性物質。同時，產生的質子通過底泥和上覆水體傳遞到陰極，陰極附近的氧化性污染物得到電子后會與質子反應，從而有效去除底泥及上覆水體中污染物。由于陰陽極之間形成了閉合回路，因此SMFC 還可以產生電能用于其他方面，節約成本[6?8]。

SMFC 作為近十幾年發展的技術，特殊的結構使其在河流湖泊底泥原位修復上有較大的潛力。Han et al 用SMFC 實現了上覆水體中硝酸鹽和Cr(Ⅵ)的同步去除[9]用SMFC 實現了上覆水體中硝酸鹽和Cr(Ⅵ)的同步去除。目前的研究還集中在利用SMFC 去除各類重金屬，關于優化SMFC 參數去除Cr(Ⅵ)的研究內容較少?；诖?，本文通過探討鹽酸預處理后的SMFC 在不同陰極材料、不同外接電阻下對Cr(Ⅵ)去除的影響，以期望得到底泥中Cr(Ⅵ)的去除機制。

1 材料與方法

1.1 實驗材料、試劑及儀器設備

實驗材料：PAN 基碳氈、碳刷、電阻、污泥（取自武漢東湖底泥）等。

試劑：鹽酸、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氯化銨、重鉻酸鉀等。

主要儀器：電化學工作站（CHI604e）；數據采集儀（2700）；生化培養箱（SPX-250BⅢ）；原子吸收光譜儀（contrAA700）；X 射線電子能譜儀（ESCALAB 250Xi）；掃描式電子顯微鏡（QUANTA）。

1.2 實驗裝置的搭建

將鈦絲來回穿插所需要的碳材料，用ABS 塑料棒固定好陰陽極，使得陽極在下方，陰極在上方，陽極與ABS 塑料棒近端的距離為1 cm，將陰陽極之間的間距設為6 cm，中間接入1 000 Ω 電阻。將制作好的SMFC 骨架放置到1 L 燒杯中，加入底泥和PBS 緩沖液，使SMFC 的陽極被底泥完全淹沒，構建厭氧環境，其中底泥厚度為4 cm，緩沖液液面距燒杯上沿1 cm。

1.3 實驗方法

實驗首先利用鹽酸對碳氈、碳刷預處理。鹽酸處理可顯著提高碳氈、碳刷表面的N 含量、比表面積、孔徑體積以及輸出功率，減少啟動時間[10]。

本實驗設置6 組對照，見表1。

表1 對照試驗各參數

碳氈直徑為7.5 cm，厚度為0.5 cm，碳刷長度為3 cm，半徑1.5 cm。鑒于所取的東湖底泥Cr 含量較低，加入140 mg Cr/（kg 干污泥）重鉻酸鉀溶液，攪拌均勻后放置一天，測得底泥中Cr 的含量為182.4 mg Cr/（kg 干污泥）。將處理后東湖底泥與PBS 緩沖液加入燒杯中，PBS 緩沖液的成分為11.55 g/L Na2HPO4·12H2O， 2.77 g/L NaH2PO4·2H2O，0.31 g/L NH4Cl，0.13 g/L KCl。將組裝好的SMFC 裝置置于25 ℃的恒溫培養箱中運行60 d，每天加入純水以補償蒸發的水量。在SMFC 啟動過程中，3、4、5、6 組所接電阻均為1 000 Ω，待SMFC 啟動后，再將5、6 組外接電阻換成100 Ω。

1.4 實驗測定項目及方法

SMFC 運行中輸出電壓以標準Ag/AgCl 電極為參比采用keithley2700 實時監測；各電極電勢采用電化學工作站CHI604e 監測；底泥與上覆水體總鉻濃度分別采用國家環境保護標準HJ 491—2009、HJ 757—2015 中方法測定。

極化曲線獲取方法：將SMFC 開路5 h，使外接電阻依次為開路狀態，2 000、1 000 、500、200、100、50 和20 Ω，每種電阻保持30 min 后測得電阻兩端電壓，依據所接電阻大小，測得電流密度和功率密度，得到極化曲線和功率密度曲線[11?12]。

取SMFC 一部分陽極材料經脫水后進行掃描電鏡能譜分析；利用X 射線電子能譜儀測定陰極上Cr 的價態；底泥有機質采用燒失量測定，見式（1）：式中：LOI為燒失量，%；cw105為底泥在105 ℃下烘干并冷卻至室溫后的恒重，g；cw550為底泥在550oC下煅燒后冷卻至室溫的恒重，g。

微生物群落分析方法：取SMFC 部分陽極材料， 用 MIO-BIO PowerSoil DNA Isolation Kit（MOBIO Laboratories, Carlsbad, CA, USA）進行DNA 抽提。選擇特異引物序列為細菌16S rRNA上V4-V5 區 域 的515F（5′-GTGCCAGCMGCCG CGGTAA-3 ′ ） 和926R （ 5 ′-CCGTCAATTCMTTT GAGTTT-3′）[13?15]。采用兩步PCR 擴增的方法構建文庫。待二次PCR 擴增后，將PCR 擴增產物于2%瓊脂糖凝膠電泳切膠回收?；厥詹捎肁xyPrepDNA凝膠回收試劑盒（AXYGEN），回收產物在FTC-3000TM real-time PCR 儀上進行定量，均一化混勻后文庫制備結束。

2 結果與討論

2.1 SMFC 的啟動與輸出電壓分布

3-6 號SMFC 在第32 d 均啟動，各陽極電勢穩定在?0.35 V 以下。其中4 號陰極電勢較低，位于?0.15 V 左右，其他SMFC 的陰極電勢穩定在0.1 V左右，見圖1。SMFC 電能的輸出會受限于陰極電勢[16]，從而使4 號SMFC 輸出電壓較低，見圖2。

圖1 各SMFC 啟動期間陰陽極電勢分布

圖2 各SMFC 輸出電壓分布

觀察各SMFC 在整個運行期間輸出電壓分布情況，待SMFC 啟動后，3 號與6 號SMFC 的輸出電壓均穩定在0.4 V 以上，5 號SMFC 的輸出電壓穩定在0.5 V 左右，4 號SMFC 的輸出電壓則穩定在0.3V 左右，這是由于其陰極電勢較低導致。在第34 d 將5 號與6 號SMFC 的外接電阻從1 000 Ω換成100 Ω，其輸出電壓快速下降，最后穩定在0.05 V 左右。

2.2 極化曲線和功率密度曲線的變化

在第32 d 測定各個SMFC 的極化曲線，此時各個SMFC 均已啟動，外阻為1000 Ω，可通過比較各個SMFC 的極化曲線，來反映其電化學性能的優劣。各SMFC 開路電壓均分布在0.8 V 左右，其中4 號SMFC 的電壓隨電流密度增加時下降較快，導致其輸出功率密度較小。6 號SMFC 的輸出功率密度最大，其最大輸出功率密度為34 mW/m2，其次是3 號SMFC，最大輸出功率密度為32 mW/m2。4 號由于啟動時陰極電勢較低，整體電化學性能較差。對比6 號、3 號與5 號SMFC，6 號SMFC 的最大輸出功率密度最大，但差距較小，這可能是因為電極經鹽酸處理，各個SMFC 電化學性能得到一定提升，使陰極材料不同帶來的差距減小，見圖3。

圖3 各SMFC 極化曲線和功率密度曲線

2.3 重金屬Cr 的濃度變化

SMFC 上覆水體為PBS 緩沖液，初始不含重金屬Cr，經實驗后上覆水體中Cr 濃度均小于15 μg/L，濃度變化較小，故本文不考慮上覆水體中Cr 濃度。

經SMFC 作用后，底泥中Cr 的濃度均出現不同程度的下降，見圖4。

圖4 底泥中重金屬Cr 濃度變化

圖4 可知，4 號SMFC 中Cr 的去除率最大為27.4%，1 號SMCF 中Cr 去除率最低，為2.1%。對比不同陰極材料的SMFC 重金屬Cr 的去除率，可知陰極為碳刷的SMFC 更有利于Cr 的去除。這是因為碳刷中碳纖維束比較分散，導致其比表面積大，更有利微生物的生長繁殖，從而利于Cr 的去除[16]。對比3 號與5 號以及4 號與6 號SMFC 中Cr 的去除率，發現采用相同的陰陽極材料時，外電阻為1000 Ω 相對于100 Ω 更有利于Cr 的去除，這可能是因為SMFC 在外接電阻為1000 Ω 時的輸出電壓大于外接電阻為100 Ω 時的輸出電壓，從而驅動更多的Cr 從陽極遷移到陰極上，進而被去除。4 號SMFC 中重金屬Cr 的去除率最高，但其電化學性能最差，說明SMFC 是一個復雜的系統，需要更深層次的研究。

2.4 陽極EDS 分析和陰極XPS 分析

SMFC 陽極上C、O、Al、Si、Au 元素含量較高，見圖5。

圖5 各SMFC 陽極掃描電鏡能譜圖

C、O 元素來自碳氈；Al、Si 元素來自附著于碳氈的底泥；Au 元素來自掃描電鏡能譜分析前鍍金；Cr 含量較少，這部分Cr 可能是電極材料對底泥中Cr 的吸附所產生的，相較于底泥中Cr 含量，電極材料吸附的量可以忽略不計，表明Cr 的去除不發生在陽極上。

對SMFC 陰極進行X 射線能譜分析，觀察Cr 的價態，判斷Cr 的去除機制，見圖6。

圖6 各SMFC 陰極X 射線能譜

結合能為576.9 eV 與579 eV 處的峰分別為Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的典型峰[17]。3-6 號SMFC 的X 射線能譜圖上均可觀察到Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ) 的典型峰，表明4 個SMFC 陰極上同時存在Cr(Ⅵ) 與Cr(Ⅲ)?；诖?，底泥中的Cr(Ⅵ)從陽極遷移到陰極后接受電子從而被還原成Cr(Ⅲ)，Cr(Ⅲ)易沉淀進而被去除[17]。

2.5 底泥燒失量和DO 的變化

通過底泥燒失量的變化情況可反映底泥中有機質的消耗情況，見圖7。

圖7 底泥燒失量變化

實驗前底泥燒失量為7.26%，經處理后，各底泥中燒失量均有所下降，表明底泥中有機質被消耗。分別對比3 號與5 號、4 號與6 號SMFC 中底泥有機質去除率，發現外接電阻為1000 Ω 時SMFC 底泥有機質去除量較多，這與一些研究的結論相悖[18?20]，具體原因需進一步研究。將閉路與開路的SMFC 中底泥有機質去除率進行對比，發現在SMFC 中形成閉路，更有利于陽極有機質的消耗，這是由于閉路發生電子傳遞轉移。

2.6 微生物群落分析

SMFC 陽極生物膜中變形菌門含量（Proteobacteria）超過30%、綠彎菌門（Chloroflexi）約20%，兩者含量最多，見圖8。將1 號與其他SMFC 對比，發現連有外阻的SMFC 陽極上變形菌門的含量增多，這是由于閉路的SMFC 能夠產電，有利于此類產電菌繁殖。從綱水平對變形菌門進行 細 分， 發 現1 號SMFC 上Y- 變 形 菌 綱（Gammaproteobacteria）含量最多，為12.3%，其次是δ-變形菌綱（Deltaproteobacteria），為12.0%。在3-6 號SMFC 上δ-變 形 菌 綱 含 量 最 高，分 別為15.5%、13.5%、18.0%以及22.3%，一些研究認為δ-變形rong 菌綱為SMFC 陽極上的優勢菌[21?22]，這與文章結果一致，表明陽極上優勢產電菌的生長繁殖有利于SMFC 穩定運行。3 號與4 號，5 號與6 號SMFC 對比結果表明不同陰極材料不會顯著影響陽極上微生物的群落分布。對比3 號與5 號，4 號與6 號SMFC，觀察到外電阻的不同對陽極上微生物的群落分布影響較小，這可能是由于啟動期間外接電阻相同，啟動后各SMFC 陽極上的微生物群落趨于穩定，更換電阻對陽極微生物群落的影響較小。

圖8 基于門水平與綱水平的陽極微生物群落分布

對陰極生物膜上的微生物群落進行分析，見圖9。

圖9 基于門水平的陰極微生物群落分布

基于門水平上分析，各個樣品中變形菌門（Proteobacteria）含量最多，分別為51.1%、49.5%、46.4%、68.7% 與44.7% 。 其 次 為 擬 桿 菌 門（Bacteroidetes），分 別 為11.1%、13.4%、37.2%、16.0%與13.2%，這與安眾一[23]研究結果相似。本實驗中Cr 的去除率較低可能與陰極生物膜上厚壁菌門（Firmicutes）含量較低有關，說明厚壁菌門（Firmicutes）等與Cr(Ⅵ)還原相關的菌類含量越高越有利于陰極上Cr(Ⅵ)的還原[24]。

3 結論

（1）底泥中的Cr(Ⅵ) 主要是在陰極上被去除，陽極材料會對底泥中的Cr(Ⅵ)產生吸附作用，但吸附量較小。

（2）碳刷相較碳氈更有利于Cr(Ⅵ)的去除。外接電阻為1 000 Ω 時，整個SMFC 的輸出電壓較高，相較于外接電阻為100 Ω 時，可產生更大的電驅動力，驅使更多的Cr(Ⅵ)從底泥中遷移到上覆水體中，有利于Cr(Ⅵ)的去除。

（3）SMFC 在陰極去除Cr(Ⅵ)的同時可在陽極去除底泥中的有機質。外接電阻為1 000 Ω 時，SMFC 可去除底泥中更多的有機質。

（4）SMFC 陽極生物膜上部分產電菌含量較高，利于SMFC 穩定運行。陰極區域由于營養物質缺乏，導致陰極微生物膜上部分與Cr(Ⅵ)還原相關的菌類，如厚壁菌門（Firmicutes）含量較低，不利于Cr(Ⅵ)的還原，使陽極底泥中Cr(Ⅵ)去除率較低。