微生物燃料电池处理甾体药物废水同步产电的实验研究

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微生物燃料电池(MicrobialFuelCell,MFC)是一种在电化学技术基础上发展起来的,以微生物为催化剂将储存在有机物中的化学能转变为电能的装置,在废水处理与资源化领域具有很大的应用潜力。甾体药物生产废水属于较难处理的高浓度有机废水之一,应用MFC处理实际药物生产废水,可通过MFC中电场的作用强化废水的处理效率,同时获取电能。然而,制药生产废水浓度、废水中硫酸盐含量、电极微生物群落功能是制约MFC处理效率的关键因素,深入分析这些限制因素对MFC效能的影响,对于理解MFC降解复杂化合物的机制、提高MFC产电效能和稳定性具有重要的指导意义。实验构建了单室空气阴极MFC,以实际甾体药物废水为底物,探讨不同浓度甾体药物生产废水对MFC效能的影响,硫酸盐对电子的分流作用,以及阳极微生物群落的结构特征。结果表明,以甾体药物生产废水为底物,MFC的功率密度可达到18.1W/m3(面积密度为403.5mW/m~2),此时电池内阻为32Ω,COD去除率达到82%,库伦效率(CE)最高为30.1%,总氮(TN)和硫酸盐的最大去除率分别为62.5%、26.5%。不同浓度甾体药物生物废水(原废水、稀释2倍、稀释5倍和稀释10倍)的COD去除率在70%~82%之间波动,将原废水稀释2倍时,COD去除率达到最大值,为82%。甾体药物生产废水中硫酸盐对MFC的产电效率有显著影响。随着进水中硫酸盐浓度提高,MFC的库伦效率明显降低,由31.5%下降至8.5%。可见,在应用MFC处理硫酸盐废水过程中,硫酸盐还原可引起电子的严重分流,导致电池库仑效率的下降。另一方面,硫酸盐能够提高溶液的电导率,对电压提高有所帮助;硫酸盐还原菌不能直接参与电子的产生,但可以协助降解大分子有机物。电镜观察发现MFC阳极表面布满微生物,不同底物条件下形成的典型种群的微生物形态不同,甾体药物生产废水为底物的MFC阳极表面有大量球菌、少量杆菌和弧菌;而以乙酸为底物的阳极表面微生物种群主要由杆菌构成。DGGE图谱显示阳极表面微生物因碳源的不同有显著的改变,以不同浓度的甾体药物生产废水为底物时,MFC阳极微生物群落结构呈现出群落逐渐演替的过程。本实验表明,MFC在处理甾体药物生产废水时,微生物群落结构稳定,有机污染物去除效率高,同时可获取电能。这为制药生产废水处理与资源化提供了新思路,为MFC处理甾体药物生产废水提供了数据支撑。
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