榨菜是重慶市的重要產業之一，近些年來隨著規模的不斷擴大，年用水量呈現出增加的趨勢。高鹽榨菜廢水對環境的危害極大，如未經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（BES）中，微生物將有機化合物氧化分解，此過程產生可被利用的電能，在污水資源化利用的同時也使有害物質減量化。目前的研究發現，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、電能的開發及再利用、金屬和營養物質的回收等目的，是一種具有發展潛力的新型污（廢）水處理技術。高鹽廢水的特性會對MFC的運行使用性能產生影響：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的產電性能。
在單室MFC中，異養硝化-好氧反硝化（HN-AD）菌可利用基底中的有機物作為電子供體，將不同形態的氮轉化成N2。相較于傳統脫氮工藝，異養硝化-好氧反硝化可在同一個反應器中進行，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，需要尋找產電與污染物去除性能均優的單室MFC陰極接種污泥，這對利用MFC處理高鹽廢水走向實際化應用具有重要意義。另外，目前關于HN-AD菌的OTU數量是否與MFC處理效率相關，鮮有研究報道。因此，筆者通過設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數量不同的污泥，探討HNAD菌OTU數量對單室MFC啟動時的產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具有波動性，故使用NaAC、NaCl、NH4Cl將COD、鹽度、NH4+-N分別調至1000mg/L、15g/L、200mg/L。
1.2 實驗裝置
單室無膜空氣陰極MFC結構如圖1所示。反應器由有機玻璃板構成，反應腔室的長×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，并經銅導線與電阻箱連接構成閉合回路。串聯的外電阻設置為500Ω，電壓數據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。反應器上部預留兩個直徑為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，陰極被穩定地安裝在反應器中；通過熱熔膠將穿插在碳氈中間的鈦絲與反應器黏結，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
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。取500mL缺氧段活性污泥與500mL相應培養液混合，置于1L錐形瓶中培養，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護，并命名為HW1；將500mL好氧段活性污泥與500mL相應培養液混合，置于1L廣口瓶中培養，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境；HW1、HW2培養器設曝氣裝置，為硝化菌的富集提供充足的氧氣。所有污泥的養護及馴化均用磁力攪拌器攪拌。
活性污泥培養液水質特性如表1所示。
3種污泥培養液的pH均采用1mol/L的HCl或NaOH溶液調至7.00。COD、鹽度、NH4+-N、NO3--N的調制藥劑分別為醋酸鈉、NaCl、NH4Cl、KNO3。YW、HW1培養液參照Zhang等的研究，YW培養液以生活污水為基底，每隔2d換一次水；HW1培養液采用原始缺氧池出水養護，每隔2d換一次水；HW2培養液在HW1污泥培養液的基礎上添加醋酸鈉，并將COD調至1000~1200mg/L。
②污泥的微生物群落結構分析
HW1與HW2兩種接種污泥屬水平上的微生物群落結構見圖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在屬水平上的優勢脫氮菌群（相對豐度>1%）發生了較大改變，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數量為1500，HW2中HNAD菌的OTU數量為7500。
③反應器的接種方式
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，向腔室內緩慢注入15mL的YW污泥，隨后將接種腔室緩慢充滿YW污泥培養液，接種YW污泥的目的是為了使陽極具有良好的產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，其親水側面向腔室，疏水側與大氣相連。S2與S3實驗組陰極接種的區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，并充滿HW1污泥培養液，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左右為一個產電周期。從開始拼裝后，連續監測3個周期的水質，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，目的是避免反應器上方的氧氣進入腔室，從而對反應器的性能造成干擾。
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、結果與分析
2.1 產電性能分析
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。產生此種現象的原因是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。此外可以發現，S2組的電壓略高于S3組，這可能是由于在短時間內，S2組的HN-AD菌OTU數量小于S3組，后者進行異養硝化-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，而氧還原反應的減少會直接導致陰極電勢的下降。以上結果表明，HN-AD菌OTU數量的增加會導致單室MFC電壓略微下降。
除了電壓運行數據表現出差異性之外，3組實驗的產電周期亦出現了相應的變化。如圖3所示，S1、S2、S3組的產電周期時長分別為116、84、92h。相對于其他兩組實驗，S1組的產電周期最長，產生此種現象的原因是：S1組的陰極在短時間內幾乎不存在異養微生物，例如HN-AD菌、反硝化菌以及其他異養菌群，對系統中COD的消耗速率較小，故其產電周期較長，這說明HN-AD菌對單室MFC的產電性能有抑制作用。S2、S3實驗組的產電周期相差不大。
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系統的關鍵電極。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。在電解質溶液與碳布陰極之間存在一層生物膜，會對單室MFC的產電造成不利影響，例如會造成H+與OH的反應受阻、產生的胞外聚合物的分泌會對鉑碳催化劑的發揮起著抑制作用等。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硝化菌豐度大于S2組，對氧氣的爭奪效應較大，氧還原反應減弱，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。王濤等構建SBR反應器，探討不同C/N下生物菌團的異養硝化與自養硝化性能，發現當C/N為7時，異養硝化速率為40.28mg/（gVSS·d），約為自養硝化速率的3倍。
總體而言，S1組的產電性能要優于S2與S3組，陰極微生物的存在對單室MFC的產電性能具有抑制作用。而S2與S3組產電性能沒有表現出顯著的差異性，即陰極接種污泥中HN-AD菌OTU數量的增加對單室MFC的產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的去除經歷了由快到慢的兩階段變化過程，且運行過程中未出現硝酸鹽與亞硝酸鹽的累積。實驗初期，由于電解質溶液中的有機物較充足，反應器內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的降解也呈現出先快后慢的趨勢。實驗開始時，由于電解質底物充足，異養菌之間的競爭關系較弱，COD的去除速率較快；后期由于底物的匱乏，異養菌的活性減弱，導致電解質溶液中的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陽極產電微生物燃料利用而去除，并且去除的過程中產生電子；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化，例如異養硝化-好氧反硝化菌、反硝化菌；最后，體系中存在有非脫氮非產電功能的異養雜菌，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，后期有氧氣入侵，原因主要是：第一，由于缺少碳源，陰極生物膜內異養菌的生命活動減少，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，如HPO42-、H2PO4-、HCO3-、CO32-，因此具有良好的緩沖性能；其次，由于單室MFC發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硝態氮所產生的堿度約為3.57kg，反硝化反應產生的堿度可以部分中和硝化反應所產生的堿度；最后，氧還原反應產生的堿度也是維持單室MFC自緩沖性的重要因素。
為統一分析單室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束前8h，第2階段終點定為實驗結束時刻。結果見表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，基本都呈現出S3組的NH4+-N及TN降解速率最大，而S1組最小的規律。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，發現當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菌比自養硝化菌更適合生存。Yang等構建單室MFC處理人工模擬廢水，發現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等構建單室MFC處理人工高鹽廢水，發現單室MFC陰極生物膜中異養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%，而整個體系的自養硝化菌相對豐度不足1%�？傮w而言，陰極接種污泥HN-AD菌OTU數量的增加對單室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，S1組陰極很少有微生物附著，一方面體系對COD的消耗作用較小；另一方面陰極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數量的增加對單室MFC庫侖效率影響不大。
3、結論
①相對于HN-AD菌OTU數量為0的空白組S1、HN-AD菌OTU數量為1500的實驗組S2，以HW2為陰極接種污泥、HN-AD菌OTU數量為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的產電性能，但同時也會極大地增加系統的脫氮性能。另外，陰極HN-AD菌的OTU數量對COD的去除無顯著影響。（來源：重慶大學環境與生態學院，重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，南昌市城市規劃設計研究總院集團有限公司，中國市政工程西南設計研究總院有限公司）
