磷浓度对生物阴极MFC脱氮产电的影响及微生物群落分析

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氮污染是全人类共同面临的的严重环境问题,去除水体中硝酸盐和亚硝酸盐(氧化态污染物)势在必行。微生物燃料电池(Microbial fiiel cell,MFC)以微生物为催化剂将废水中污染物蕴含的化学能直接转化为电能,可实现同步治污产电,尤其生物阴极可直接提供电子弥补硝酸盐反硝化过程中碳源不足的问题。但是,水体中的氮磷是共存的,MFC研究主要集中在单一污染源去除方面,考察水体中磷的浓度对MFC生物阴极脱氮兼具产电的影响具有一定的现实意义。本文构建了以硝酸钾为电子受体的生物阴极反硝化微生物燃料电池,研究了添加4种质量浓度的磷酸钾MFC的脱氮产电性能、影响因素和工作机理。主要结果如下:(1)探讨不同磷氮质量浓度比下生物阴极菌群MFC产电效率。在磷氮质量浓度比为1:8时,MFC1阴极微生物菌群产电效率最高。MFC-0、MFC-1、MFC-2、MFC-3的最大输出电压、最大电路密度、最大功率密度分别为0.41、0.42、0.30、0.25 V,4.08、4.49、4.18、2.51 A.m-3,0.79、0.83、0.40、0.11 W.m-3。且分别测定阴阳极电势的变化规律,发现阴极电势的变化范围大于阳极。其阳极电势各MFC数值,基本保持在-0.12V,阴极电势数值大小在0.09~0.30 V。(2)探讨不同磷氮质量浓度比下生物阴极菌群MFC脱氮效率。在磷氮质量浓度比为0时,硝酸盐的降解率最大。随着磷酸钾浓度的增大,硝酸盐去除率与阴极磷酸钾浓度呈负相关。MFC-0、MFC-1、MFC-2、MFC-3 COD的去除率分别为88.73%、84.18%、80.70%、72.35%,硝酸盐的去除率分别为91.85%、87.86%、79.76%、72.44%。由此说明不同磷氮质量浓度比对硝酸盐的去除有一定的影响,且磷氮质量浓度比越大,越不利于硝酸盐的去除。通过开路、闭路条件下的对比实验,闭路条件下盐的去除率是开路条件下的2.3倍,说明MFC微电压对对阴极微生物有刺激作用,强化了对硝酸盐的去除作用。整个过程中亚硝酸盐的积累量很小,说明其对MFC阴极微生物的活性影响很小。(3)对阴极菌群MFC在原始污泥、启动期和稳定期、衰减期的多样性数值以及微生物稳定期阴极微生物群落进行分析。生物多样性分析结果显示,微生物在稳定期的菌种丰富度最高。阴极菌群MFC在运行稳定期优势菌种都是变形菌门(Proteobacteria)。且在反应稳定期,MFC优势菌属为Azonexus、Zoogloea和Ignavibacterium,Comamonas和Acidovorax,但各优势菌属分配比有差别,而且上面几种微生物菌属都对降解硝酸盐有促进作用。
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