微生物電化學(xué)庫侖法測定厭氧消化出水中揮發(fā)性脂肪酸的潛力

馬惟奇，王宗萍，高陽陽

(1.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)能反映出厭氧消化過程中甲烷菌的狀態(tài)或者反應(yīng)條件的變化，出水VFAs是厭氧消化過程中的重要控制指標(biāo)。目前，工業(yè)中常用的測定厭氧消化過程中VFAs的方法是蒸餾-滴定法[1]，其在酸性條件下將水樣中的VFAs蒸餾出來再用氫氧化鈉溶液進(jìn)行滴定測定，此方法操作較為繁瑣、準(zhǔn)確度不高而且不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。除此之外，已有文獻(xiàn)報道的測定VFAs的方法主要有氣相色譜法(GC)、液相色譜法(LC)和毛細(xì)管電泳法(CE)。GC[1]、LC[2]和CE[3]的主要原理是利用物質(zhì)的沸點(diǎn)、極性、電荷、等電點(diǎn)、吸附性能、親和行為、相分配特性等的不同將各物質(zhì)分離出來并結(jié)合適當(dāng)?shù)臋z測器進(jìn)行測定及分析。Ullah[5]等人利用熱解吸-氣相色譜法(TD-GC)測定了VFAs，重現(xiàn)性好且回收率高。Cerqueira[6]等人利用高效液相色譜-二極管陣列檢測器法(HPLC-DAD)測定了VFAs，線性相關(guān)度高(R2> 0.996)，準(zhǔn)確度較好(89%～102%)；Kong[7]等人采用磷酸三丁基輔助中空纖維液相微萃取-毛細(xì)管電泳-耦合非接觸電導(dǎo)檢測法(HF-LPME/CE-C4D)測定了VFAs，靈敏度高、線性相關(guān)度好(R2> 0.98)。不過這些方法均存在運(yùn)行及維護(hù)成本高、對設(shè)備要求高、難以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測等問題。

微生物電化學(xué)系統(tǒng)，主要包括微生物燃料電池(MFC)、微生物電解池(MEC)等，在生化需氧量[8]及毒性物質(zhì)[9]等的測定中已有廣泛的研究，主要原理是利用庫倫量[10]、電流[11]等與物質(zhì)濃度的關(guān)系對物質(zhì)進(jìn)行測定，其成本低、操作簡單且可以用于在線監(jiān)測，具有較大的應(yīng)用潛力。VFAs是適用于微生物電化學(xué)系統(tǒng)的有機(jī)底物，本文基于MFC研究了庫倫密度與VFAs濃度的關(guān)系，探討了利用微生物電化學(xué)庫侖法測定厭氧消化出水中VFAs的可行性。

1 材料與方法

1.1 MFC的構(gòu)建及啟動

圖1 MFC的結(jié)構(gòu)及原理

本文采用雙室空氣陰極MFC系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。MFC陽極室的體積約為7 mL、陰極室的體積約為14 mL，陽極室和陰極室之間用質(zhì)子膜隔開；以不銹鋼網(wǎng)為基體貼合經(jīng)過親水性處理的碳布作為MFC的陽極，其生物相容性好、導(dǎo)電性強(qiáng)且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；以碳布為基體負(fù)載Pt/C催化劑作為MFC的陰極，其導(dǎo)電性好、催化活性高，此陰極直接與空氣接觸，空氣可以透過陰極進(jìn)入陰極室為陰極提供氧氣作為電子受體。陽極和陰極之間通過導(dǎo)線連接1000 Ω的固定電阻作為外電阻組成電回路，外電阻的兩端連接電壓采集器。

實(shí)驗(yàn)中以模擬厭氧出水VFAs組分的溶液作為水樣進(jìn)行分析與測試，其中的有機(jī)物為乙酸鈉、丙酸鈉、丁酸鈉、甲酸鈉，四者的物質(zhì)的量濃度比為10∶2∶2∶1。MFC的陽極溶液除有機(jī)物外還包含磷酸鹽緩沖液(4.68 g/L NaH2PO4和8.66 g/L Na2HPO4)、0.13 g/L KCl、0.31 g/L NH4Cl、5 mL/L維生素、12.5 mL/L微量元素，維生素及微量元素的組分如表1所示，MFC的陰極溶液是磷酸鹽緩沖液(4.68 g/L NaH2PO4和8.66 g/L Na2HPO4)，磷酸鹽緩沖液的主要作用是維持系統(tǒng)的pH以及提供一定的電導(dǎo)率，KCl、NH4Cl、維生素及微量元素則是微生物生長所需。從實(shí)驗(yàn)室中已有的長期穩(wěn)定運(yùn)行的MFC的陽極室中取菌液進(jìn)行接種，與曝氮?dú)庵羺捬鯛顟B(tài)的模擬厭氧出水VFAs組分的陽極溶液混合后注入MFC的陽極室并封閉進(jìn)樣口，陰極溶液無需曝氣直接注入MFC的陰極室并封閉進(jìn)樣口，將MFC放置在恒溫30℃的培養(yǎng)箱中運(yùn)行，外接電壓采集器，根據(jù)電壓變化情況更換MFC中的陽極溶液和陰極溶液，每次注入陽極溶液之前都需要將其曝氮?dú)庵羺捬鯛顟B(tài)，當(dāng)MFC的電壓輸出達(dá)到穩(wěn)定時即可視為啟動完成并進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)。

表1 維生素及微量元素的組分

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

以模擬厭氧出水VFAs組分的陽極溶液為水樣，配制VFAs濃度(以H+濃度計(jì))分別為1、2、3、4、5 mmol/L的溶液在MFC中同時進(jìn)行測定，通過電壓采集器采集測定過程中的電壓，以注入水樣后MFC的首個輸出電壓作為測定過程的起點(diǎn)，以MFC運(yùn)行過程后期基本保持不變的輸出電壓(電壓變化小于 1 mV/s)作為測定過程的終點(diǎn)。首先對測定過程的電壓-時間曲線進(jìn)行分析并建立庫倫密度與VFAs濃度的關(guān)系，庫倫密度以MFC輸出的庫倫量(即電量，單位以庫侖計(jì))與陽極水樣的體積之比表示，其次通過研究VFAs在MFC中的庫倫效率及COD去除率分析了其在MFC中的產(chǎn)電及降解特性，庫倫效率以實(shí)際庫倫量與理論庫倫量之比表示、COD去除率以去除的COD與總COD之比表示，最后研究了測定前后MFC的pH及電導(dǎo)率環(huán)境的變化。庫倫密度、庫倫效率、COD去除率的計(jì)算公式如下：

式中，Q—實(shí)際庫倫量，U—采集的電壓，R—外電阻，t—時間，VAn—陽極水樣體積，M—氧氣的摩爾質(zhì)量，F(xiàn)—法拉第常數(shù)，ΔCOD—測定前后水樣COD差值，COD—測定前水樣COD值。

2 結(jié)果與討論

2.1 測定曲線的分析

在MFC中微生物通過降解有機(jī)物并向外輸出電子產(chǎn)生電流從而形成了電壓，輸出電壓的大小反映了MFC向外傳遞電子速率的大小。不同濃度的模擬厭氧出水VFAs組分的陽極溶液在MFC中測定時的電壓-時間曲線如圖2所示。對于不同濃度的VFAs，在測定的主要階段MFC的輸出電壓均較高，最大輸出電壓均在400 mV以上，這表明在MFC中微生物可以利用VFAs較為快速地向外傳遞電子、輸出庫侖量，而且在輸出電壓較高的情況下測定過程就不會輕易受到微生物內(nèi)源呼吸產(chǎn)生的電壓的干擾，有利于測定過程的穩(wěn)定性。

2.2 微生物電化學(xué)庫侖法的建立

圖3 庫倫密度與VFAs濃度的關(guān)系

理論上來說VFAs的量越多，MFC輸出的庫倫量就越多，MFC中單位水樣體積的庫倫量與水樣中的VFAs濃度存在對應(yīng)關(guān)系，通過分析MFC輸出的庫倫密度與VFAs濃度的關(guān)系可以建立測定VFAs的微生物電化學(xué)庫侖法。不同濃度的模擬厭氧出水VFAs組分的陽極溶液的庫倫密度與VFAs濃度的關(guān)系如圖3所示。由圖可以看出，在1～5 mmol/L的范圍內(nèi)，庫倫密度與VFAs的濃度具有良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.9998，庫倫密度與VFAs濃度的關(guān)系如下式：

Y=665.68X-275.74

式中，Y—庫倫密度，C/L；X—VFAs濃度，mmol/L。

2.3 庫倫效率及COD去除率的分析

MFC的庫倫效率可以反映微生物在降解有機(jī)物時將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率，COD去除率則可以反映有機(jī)物在MFC中的降解效率。不同濃度的模擬厭氧出水VFAs組分的陽極溶液在MFC中測定時的庫倫效率及COD去除率如圖4所示。不同濃度的VFAs在測定時MFC的庫倫效率均較高，均在60 %以上，由此可見，微生物在MFC中降解VFAs時將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率較高，MFC能夠有效地輸出庫倫量。不同濃度的VFAs在測定時MFC的COD去除率也較高，均在50 %以上，由此可見，VFAs在MFC中的降解效率較高、可生物降解性較好。結(jié)合庫倫效率及COD去除率來看，在MFC中微生物主要通過產(chǎn)電途徑降解VFAs、能夠有效地降解VFAs并輸出庫倫量，有利于VFAs的測定。

圖4 在MFC中測定VFAs時的庫倫效率及COD去除率

2.4 pH與電導(dǎo)率環(huán)境的變化

圖5 在MFC中測定VFAs時的pH及電導(dǎo)率變化，“in”表示測定前，“out”表示測定后

在MFC中，合適且穩(wěn)定的pH及電導(dǎo)率環(huán)境是維持系統(tǒng)穩(wěn)定性及測定準(zhǔn)確性的一個重要因素。對于不同濃度的模擬厭氧出水VFAs組分的陽極溶液，在MFC中測定VFAs的前后，陽極溶液及陰極溶液的pH及電導(dǎo)率變化如圖5所示。在測定前后，陽極溶液的pH略有降低，H+是陽極反應(yīng)的產(chǎn)物之一，可能是H+濃度的升高導(dǎo)致了陽極溶液pH的下降，而陰極溶液的pH略有升高，氧氣在陰極被還原導(dǎo)致堿度升高可能是陰極溶液pH上升的原因，不過陽極溶液及陰極溶液的pH變化不大且均維持在7左右，適合于微生物的生長和繁殖，這種程度下的pH變化不會明顯影響測定過程。在測定前后，陽極溶液的電導(dǎo)率略有降低，VFAs被降解、濃度降低可能導(dǎo)致了陽極溶液電導(dǎo)率的下降，而陰極溶液的電導(dǎo)率略有升高，H+往陰極的遷移可能導(dǎo)致了陰極溶液電導(dǎo)率的上升，不過陽極溶液及陰極溶液的電導(dǎo)率變化不大且均較高，維持在9 mS/cm左右，適合于電子的傳輸，這種程度下的電導(dǎo)率變化不會明顯影響測定過程。

3 結(jié)論

本文基于MFC研究分析了微生物電化學(xué)庫倫法在測定厭氧消化出水VFAs中的可行性，MFC的庫倫密度與VFAs濃度的線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9998，測定過程中，MFC的輸出電壓均較高，VFAs的產(chǎn)電效率及降解效果均較理想，MFC的pH及電導(dǎo)率環(huán)境均較穩(wěn)定。這表明微生物電化學(xué)庫侖法在測定厭氧消化出水VFAs中具有極大的應(yīng)用潛力，本文為厭氧消化出水中VFAs的測定提供了一個新的方向。不過實(shí)際厭氧出水成分及條件更為復(fù)雜，需要根據(jù)實(shí)際情況對利用微生物電化學(xué)庫侖法測定厭氧出水VFAs的具體過程進(jìn)行優(yōu)化。