微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是一种废水资源化技术，具有污泥产生量小的特点，可用于生活污水(Liu et al., 2004)、猪场废水(Min et al., 2005)、食品加工废水(Patil et al., 2009)及垃圾渗滤液(Greenman et al., 2009)等处理.光合微生物应用于MFCs领域产生了光微生物燃料电池(Photosynthesis Microbial Fuel Cells，Photo-MFCs)，在实现污染物化学能转化成电能的同时将光能转化为电能，因而受到越来越多的重视(Bombelli et al.，2011; McCormick et al., 2011).

养猪场废水含有大量有机物、悬浮物、氮、磷，并散发恶臭气体，水量大且排放集中，对水体造成极大污染.利用MFCs处理养猪场污水的同时，还能获得电能(Xu et al.，2011).Min等(2005)采用单室空气阴极MFCs处理猪场废水，电池的功率密度随废水COD的升高而增大，MFCs运行100 h，氨氮和溶解性COD去除率分别为83%±4%和86%±6%，但处理后废水中硝态氮和磷浓度反而略有升高.Kim等(2008)的研究表明，单室MFC具有很好的除臭性能.李小虎等(2012)以乙二胺改性阳极构建的MFCs处理养猪场排放废水，发现COD和氨氮均有较高的去除率，日平均去除量分别为429.3 mg · L^-1和82.6 mg · L^-1，最大功率密度为208 mW · m^-2.但现阶段，MFCs在处理养猪废水方面还存在无机氮、磷处理效果差等缺点(Xu et al., 2011).

微藻应用于MFCs阴极，通过光合作用生成O₂为MFCs提供电子受体，利用无机氮、磷合成生长所需的有机物，可提高MFCs处理含氮、磷废水的能力(Wang et al., 2010; Wu et al., 2014; Li et al., 2010).光合细菌应用于MFCs阳极，厌氧条件下代谢有机物，可降低废水COD(Xing et al., 2008).Photo-MFCs实现废水处理的同时，收获的光合微生物可用于饵料生产或生物质能源开发，提升了其在新能源开发和废水处理方面应用的潜力(Anandarajah et al., 2012；Nissen et al.，1984).

基于此，本研究首次将微藻和光合细菌分别接种于双室MFCs的阴极和阳极，构建Photo-MFCs，考察其废水处理效果，论证其处理养猪废水的同时获得光合微生物和电能的可行性.

实验所用养猪废水取自厦门市郊某养猪场，为猪粪和猪舍冲洗水组成的混合废水，其水质特征如表 1所示.

表1(Table 1)

表1 实验用养猪废水水质特征 Table 1 Characteristics of experimental swine wastewater

表1 实验用养猪废水水质特征 Table 1 Characteristics of experimental swine wastewater mg · L-1 总氮TN 铵态氮NH+4-N 总磷TP COD 519±14 501±6 50.4±2.2 2170±56

本实验构建的MFCs为采用有机玻璃板制成的双室MFCs(图 1).阳极室和阴极室的体积均为135 cm³，阴阳极碳毡表面积均为16 cm²(4 cm × 4 cm)，阴极室和阳极室均用质子交换膜隔开，装置底端和顶端设置进、出水口，外接1000 Ω电阻，外电路通过导线与电极相连构成回路.MFCs输出电压由数据采集器每5 min采集1次.

图 1(Fig. 1)

图 1 光合微生物燃料电池装置 Fig. 1 Diagram of photo-MFCs

以0.2 V(vs.Ag/AgCl)电位及光照富集的光合菌群为Photo-MFCs阳极接种物(吴义诚等，2014)，栅藻(Desmodesmus sp. A8)为阴极微生物(Wu et al., 2013)；Photo-MFCs启动阶段阳极液为人工废水(Wang et al., 2013)，阴极液为BG11培养基(Yoon et al., 2002)，电池稳定运行后阳极液为养猪废水，阳极出水为阴极进水.反应器置于3000 lx光照下运行，温度恒定在28 ℃.待输出电压降至40 mV以下更换培养液.

氨氮、磷及COD的测定参照《水和废水监测分析方法(第4版)》.待测液用0.45 μm滤膜过滤，COD测定采用重铬酸氧化法，氨氮测定采用纳氏试剂比色法，TP测定采用钼酸铵分光光度法.氨氮、磷及COD的去除率(r)计算公式如下：

式中，C₀和C_t分别为初始浓度和处理t天后的浓度.

采用F-4600分光光度计(Hitachi，日本)在680 nm处测定微藻Desmodesmus sp.A8培养物的光密度(OD₆₈₀)，以考察微藻的生长情况.

以BG11培养基为基础，考察了氮源、氮浓度及磷浓度对阴极微藻A8生长的影响.氮源实验采用氮浓度为250 mg · L^-1的硝氮(NaNO₃)、氨氮(NH₄Cl)、有机氮(尿素)及硝铵混合氮(NH₄NO₃)；氮浓度实验添加硝酸钠，氮浓度分别为0、5、50、125、250 mg · L^-1；磷浓度实验采用K₂HPO₄，磷浓度分别为0.8、7.2、21.6、64.8 mg · L^-1.

养猪废水含氮污染物种类多、浓度高，对微藻生长有一定影响，本研究首先考察了高浓度氮源对阴极微藻Desmodesmus sp. A8生长的影响(图 2a).由图 2a可知，4 种氮源都能促进阴极微藻Desmodesmus sp. A8的生长，尿素为氮源的微藻生长状况最佳，其次是硝氮、混合氮，最差的是氨氮.硝氮、氨氮、混合氨和尿素为氮源培养20 d，光密度值(OD₆₈₀)分别为2.03、1.45、1.74和2.33，实验结果表明，阴极微藻Desmodesmus sp. A8不仅能利用无机氮(硝氮和氨氮)，而且也能利用有机氮(尿素)，并能适应较高的氮浓度.

图 2(Fig. 2)

图 2 氮源(a)、氮浓度(b)、磷浓度(c)对微藻A8生长的影响 Fig. 2 Effect of nitrogen sources(a)，nitrogen concentration(b) and phosphorus concentration(c)on strains A8

氮、磷是微藻生长过程中最基本的营养元素，它们参与包括叶绿素分子在内的有机物合成(张正斌等，2004).氮、磷浓度对Desmodesmus sp.A8生长的影响如图 2b和2c所示.显著性分析表明，随着氮、磷浓度的升高，微藻比生长速率更快，但在实验设置的氮、磷浓度范围内，氮、磷浓度升高到一定值后对微藻A8生长影响不显著(p>0.05).

开路电势(Open Circuit Potential，OCP)反应了微生物的代谢途径，常用于表征微生物燃料电池的性能(Liu et al., 2005).光暗条件下接种光合细菌群的生物电化学系统开路电势变化如图 3所示，在黑暗条件下，阳极接种取自0.2 V(vs. Ag/AgCl)电位富集的光合菌群代谢乙酸钠，开路电势迅速下降，40 h后稳定在-0.4 V(vs. Ag/AgCl)；黑暗条件下稳定运行180 h后，给予光照(1500 lx)，OCP迅速降低，说明光照能提高光合细菌的还原活性.另外，光照条件下，随着反应器的运行，阳极液玫瑰红色逐渐加深.光照条件下体系OCP降低至-0.6 V(vs. Ag/AgCl)并稳定，说明光合细菌在光照条件下存在有别于黑暗条件的代谢方式和电子传递路径.

图 3(Fig. 3)

图 3 光暗条件下光合菌群OCP(vs. Ag/AgCl)变化(180 h添加光照) Fig. 3 Variation of OCP(vs. Ag/AgCl)of photobacteria in light and dark conditions

构建的Photo-MFCs以含乙酸钠的人工废水作为阳极液启动并运行2个周期后，阳极液更换为待处理养猪废水，Photo-MFCs以这两种废水作为燃料的电压随时间的变化如图 4所示.由图可知，产电曲线总体呈现上升、平稳和下降3个阶段，刚加入废水时，微生物所需要的营养物质得以补充，电压迅速上升至最大值并稳定，出现较好的产电平台，随着废水中有机物被降解，电压逐渐下降.

图 4(Fig. 4)

图 4 Photo-MFCs以人工废水和养猪废水为燃料产电特性 Fig. 4 Electricity production in MFC using artificial and swine wastewater as the fuel

构建的Photo-MFCs以人工废水和养猪废水为阳极液的产电曲线略有不同，外阻R=1000 Ω，Photo-MFCs以含乙酸钠的人工废水为基质，稳定的输出电压约为207 mV，运行两个循环后，阳极液更换为养猪废水，电池输出电压下降至184 mV.可能由于养猪废水成分更加复杂，对阳极微生物的生长产生了不利冲击，导致电池输出电压下降至161 mV，并趋于稳定.

构建的Photo-MFCs以养猪废水为基质稳定运行后，每次换液量为64 mL(即0.5倍阳极液)，表 2是第2个产电周期内养猪废水经Photo-MFCs处理前后水质的变化情况.由表 2可知，养猪废水经过Photo-MFCs阳极和阴极处理后，废水中COD、氨氮和总磷都有较高的去除率，经过1个运行周期(水力停留时间为4 d)，阳极对养猪废水COD平均去除率为 70.6%，氨氮平均去除率为46.9%，但对磷的去除率只有16.1%；阳极出水经微藻阴极进一步处理后，磷的浓度下降至9.2 mg · L^-1，总的去除率达81.7%；COD与氨氮总的去除率分别为91.8%和90.2%，养猪废水经过阳极光合细菌和阴极微藻处理后呈现透明状态，浑浊度明显下降，臭味也几乎消失，但出水呈棕黄色.

表2(Table 2)

表2 Photo-MFCs进出水水质 Table 2 Water quality of influent and effluent of Photo-MFCs

表2 Photo-MFCs进出水水质 Table 2 Water quality of influent and effluent of Photo-MFCs 污染物 阳极进水/ (mg·L-1) 阳极出水/ (mg·L-1) 阳极去除率 阴极出水/ (mg·L-1) 总去除率 COD 2170±56 637±62 70.6% 177±8 91.8% 氨氮 501±6 266±10 46.9% 49±4 90.2% 总磷 50.4±2.2 42.3±1.3 16.1% 9.2±0.8 81.7%

为了考察阳极处理后养猪废水是否可用于微藻培养，本文以OD₆₈₀为细胞密度指标，监测了栅藻A8在BG11培养基、养猪废水、稀释1倍的养猪废水及经阳极光合菌群处理的养猪废水中的生长情况，结果如图 5所示.在养猪废水中，培养前3 d OD₆₈₀有一定的升高，但3 d后细胞密度开始下降，培养16 d OD₆₈₀仅为1.23.在稀释1倍养猪废水、经阳极光合细菌处理后的养猪废水及BG11培养基中，微藻光密度随着培养时间的延长，光密度逐渐增大，但微藻A8在这3种培养液中的生长速率不同，培养16 d后，OD₆₈₀值分别达到3.75(BG11)、2.43(稀释1倍养猪废水)、3.40(光合菌处理后养猪废水).

图 5(Fig. 5)

图 5 不同水体培养条件下微藻生长曲线 Fig. 5 Growth curves of two strains with different waters

用处理后的养猪废水培养微藻A8，其光密度高于稀释后的养猪废水，仅次于对照组BG11培养基.养猪废水污染物种类多、COD高等因素可能是导致微藻生长缓慢的主要原因，养猪废水稀释后污染物浓度降低，对微藻生长的影响减弱，经过阳极处理的废水，污染物浓度降低的同时，氮、磷的残留又能满足微藻的生长.

1)Photo-MFCs阴极微藻A8不仅对无机氨氮和有机尿素有比较好的适应性，且能在高浓度氮(250 mg · L^-1)、磷(64.8 mg · L^-1)条件下正常生长.

2)以光合细菌群为阳极微生物，微藻为阴极微生物构建的Photo-MFCs利用养猪废水为燃料产电是可行的，该Photo-MFCs以含乙酸钠的人工废水为基质，输出电压为207 mV(外阻R=1000 Ω)，以养猪废水为基质，电池稳定输出电压为161 mV.

3)构建的Photo-MFCs能利用养猪废水产电并达到净化水质的效果.养猪废水先后经过阳极和阴极的处理，COD去除率为91.8%，氨氮去除率为90.2%，磷的去除率达81.7%，并具有较好的除臭性能.

4)微藻A8能在光合细菌群处理的养猪废水中很好地生长，培养16 d后，OD₆₈₀值为3.40，仅次于BG11培养基的3.75，优于稀释1倍养猪废水培养获得的2.43，微藻在养猪废水原液中几乎没有生长.