淀粉废水是食品工业中污染较为严重的一类废水^〔1〕，其有机物浓度高，含有大量淀粉、蛋白质、脂肪等物质。对于淀粉废水的治理，普遍采用的是厌氧-好氧联合生物技术^〔2〕，但该技术存在运行费用高、成本高的缺点^〔1〕。微生物燃料电池（MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能转换为电能的装置，利用该技术处理淀粉等有机废水时，在净化污水的同时还可以收获电能，实现了资源的回收^〔3〕。

目前在利用MFC降解淀粉废水的研究中，普遍针对初始COD较低的淀粉废水，且COD去除率较低^〔4〕。因此，利用该技术处理高浓度淀粉废水以及进一步优化提升COD去除率仍有待研究。光合细菌在厌氧条件下可以利用光发酵和暗发酵分解高浓度淀粉废水^〔5〕，此外其菌体有着丰富的营养，包含大量蛋白质、叶酸、类胡萝卜素等促长因子^〔6〕。因此使用光合细菌作为MFC的阳极生物不仅可以处理淀粉废水，所产生的菌泥还可以作为饲料添加剂使用^〔7〕。近年来，国外对于以光合细菌为基础的MFC也有相关研究，研究方向包括提高MFC的产电性能^〔8〕、提高MFC对复杂底物的适应性^〔9〕以及开发自持型的小型MFC^〔10〕等，为其未来的实际应用提供了诸多方向。

本研究以实验室中的光合混菌PB-Z为阳极菌，在室温、自然光照和静置的环境下以高浓度淀粉废水为基质，探讨MFC的处理效果，并进一步研究了氮源及其浓度和添加Ca²⁺对COD降解效果的影响，得到了各项优化条件，为利用MFC处理淀粉废水的工业化应用提供了理论依据。

本研究采用了双室MFC作为实验装置，实验装置见图1。

该装置由阳极室、阴极室和阳离子交换膜三部分组成，阳、阴极室均为边长6 cm的正方体。中间为阳离子交换膜，其有效面积为16 cm²，采用D 5 cm× 5 cm×15 cm的碳刷作为阴极和阳极的电极材料，用鳄鱼嘴铜线连接电阻（500 Ω）和电极材料。阴、阳极室、碳刷、阳离子交换膜、参比电极及进出水口材料参照文献〔11〕的方法进行预处理后使用。实验装置处于自然静置缺氧状态，均不进行曝气和充氮除氧，实验室环境保持室温和自然光照。

阳极菌源：来自实验室的光合异养产氢混合菌群PB-Z^〔12〕，该菌群主要由以下菌种组成：Rhodopseudomonas，39.54%；Dysgonomonas，23.83%；Proteus16.26%。将20%的原始菌液接种到放置碳刷的PB-Z生长培养基，在30 ℃、120 r/min的磁力搅拌器上进行厌氧培养，给予4 klux的持续光照，培养4 d至对数生长期后放置在30 ℃的恒温光照培养箱中静置数天，肉眼可以看到碳刷上有红色菌膜代表阳极碳刷挂膜完成。

阴极菌源：来自实验室的异养硝化菌Alcalige-nes sp. C16^〔13〕，该菌株为产碱杆菌属。将1%的原始菌液接种到放置碳刷的C16生长培养基中，在30 ℃、120 r/min的摇床中好氧培养2 d至对数生长期，然后放置在30 ℃的恒温培养箱中静置培养数天，肉眼可以看到碳刷上有白色菌膜生成，代表阴极碳刷挂膜完成。

阳极菌PB-Z生长培养基（g/L）：CH₃COONa·3H₂O 3、NH₄Cl 0.5、MgCl₂·6H₂O 0.2、K₂HPO₄·12H₂O 0.5、蛋白胨1、NaCl 2、酵母膏0.2。

阴极菌C16生长培养基（g/L）：柠檬酸钠4.902、（NH₄）₂SO₄ 0.472、MgSO₄·7H₂O 0.05、K₂HPO₄ 0.2、NaCl 0.12、MnSO₄·4H₂O 0.01、FeSO₄ 0.01。

阳极高浓度淀粉培养基（g/L）：可溶性淀粉12.6、尿素0.09、MgSO₄ 0.2、NaCl 1、K₂HPO₄ 0.5、酵母膏0.2、复合维生素B溶液1 mL、微量元素溶液1 mL。

阴极培养基（g/L）：NaNO₃ 0.608、MgSO₄·7H₂O 0.05、K₂HPO₄ 0.2、NaCl 0.12、MnSO₄·4H₂O 0.01、FeSO₄ 0.01、CuSO₄ 0.16。

微量元素溶液（g/L）：MnSO₄·4H₂O 2.1，H₃BO₃ 2.8，ZnSO₄·7H₂O 0.248，FeSO₄·7H₂O 1.8，（NH₄）₆Mo₇O₂₄·4H₂O 8.0。

维生素溶液（g/L）：维生素B₁ 6.0，维生素B₂ 3.0，维生素B₃ 20.0，维生素B₆ 0.4。

培养液在使用前均调节pH至7.0，经过高压蒸汽灭菌（121 ℃，20 min）之后再使用。

NH₄⁺-N，纳氏试剂分光光度法；NO₃^--N，酚二磺酸分光光度法；NO₂^--N，N-（1-奈基）-乙二胺光度法；TN，过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；COD，快速消解分光光度法；以OD₆₆₀测量菌密度，可见光分光光度计在660 nm处测定吸光度；电压，美国吉时利Keithley 2700数据采集器。

阳极氮源为尿素，考察PB-Z在MFC中降解高浓度淀粉废水初试的降解效果，结果见图2。

由图2（a）可知，对于以PB-Z为阳极菌种的MFC而言，可以降解高浓度淀粉废水。在12 d中，COD从初始的11 583.3 mg/L降至4 420 mg/L，COD去除率为61.84%。相对应的PB-Z菌密度则较低，最大OD₆₆₀出现在第2 d，为0.298，之后随着时间的增加，OD₆₆₀逐渐下降至0.2以下并趋于平稳。

由图2（b）可知，随着TN的降低，反应过程中会有NH₄⁺-N的积累，在第2 d时，积累的NH₄⁺-N质量浓度最高，为25.1 mg/L，反应继续到第4天时，TN在下降，而NH₄⁺-N基本不变，为24.05 mg/L，由此推断光合混菌可能在将尿素转化为NH₄⁺-N的同时，还在利用NH₄⁺-N。且在反应后期，TN与NH₄⁺-N相近，此时尿素可能已经被完全转化，在反应结束时，NH₄⁺-N依旧有18.5 mg/L，说明还有少量的NH₄⁺-N没有被利用，最后造成了TN的积累，12 d时TN的去除率为62.89%。孙明星^〔14〕发现在初始NH₄⁺-N较低的情况下，光合细菌会将一部分尿素转化为NH₄⁺-N用于光合细菌的增殖，而当NH₄⁺-N小于一定浓度后，便很难被其继续利用，这与本研究中NH₄⁺-N浓度先升高后降低，但是最后并没有被完全降解的现象相符。

在该组实验中，实验装置处于自然静置缺氧状态，均不进行曝气和充氮除氧，实验室环境保持室温和自然光照，共有3组平行实验，考察其电压，结果表明，在这3组平行实验中，都有电压产生，但是由于实验在自然光照下放置，因此PB-Z受到昼夜交替变化的影响，产生了一定规律性的波浪电压，有相关研究发现，对于包含光合微生物的MFC而言，光照有助于发电，黑暗条件下产电性能下降^〔15〕，波峰段的电压平均在50 mV左右，波谷段的电压平均为10 mV。一定规律的电压说明了MFC中阳极选用PB-Z降解高浓度淀粉废水具有可行性，但是COD和TN的去除率依旧较低，为60%左右，剩余的COD浓度较高，在利用尿素时会将其转化为NH₄⁺-N再进一步进行利用，因此本研究中的MFC阳极降解淀粉废水具有进一步优化和提升的空间。

由相关文献〔14〕和2.1节可知，NH₄⁺-N对PB-Z具有重要的影响，PB-Z在利用尿素时会先将其转化为NH₄⁺-N再进行利用。因此如果将氮源由尿素直接更换为NH₄⁺-N（以氯化铵为例），可能会更有利于PB-Z的生长和对COD的降解效果，考察不同氮源对PB-Z降解效果的影响，结果见图3。

由图3（a）可知，氮源由尿素更换为氯化铵后，PB-Z的菌密度有了比较高的增长，并且在第2~8 d都可以维持在0.2以上，说明以氯化铵作为氮源可以更有效地促进PB-Z的生长；COD的去除也有了较大的改善，在12 d内，COD从11 466.7 mg/L降至3 186.7 mg/L，COD去除率提升至72.2%，相比以尿素为氮源时COD去除率增加了10.3%。这主要是因为NH₄⁺-N可以直接被光合菌利用，而尿素则需要先被细菌转化为NH₄⁺-N再进行利用，以NH₄⁺-N为氮源节省了中间反应过程，更加容易被光合菌吸收。

由图3（b）可知，以氯化铵为氮源时，没有硝氮和亚硝氮积累，TN与NH₄⁺-N相近，此时NH₄⁺-N从53.13 mg/L降至18.12 mg/L，NH₄⁺-N去除率为65.9%，与更换氮源前没有较大提升。可能是由于PB-Z本身对氮的利用较少，同时因为给予的氮源浓度本身较低，不能促进其更好的吸收。

虽然经过更换氮源的优化之后，光合菌对COD的去除率有所提升，但是依然有进一步改善的空间，此外考虑到对NH₄⁺-N的去除率没有明显改善可能是由于氮源浓度较低，因此研究了不同NH₄⁺-N浓度对PB-Z降解高浓度淀粉废水的影响，结果见图4。

由图4（a）可知，按阳极NH₄⁺-N投加浓度为3、6、9 mmol/L进行实验时，随着NH₄⁺-N投加浓度增加，COD去除速度和COD去除率也随之增加，COD去除率分别为72.2%、84.57%、90.26%。与此同时，阳极的菌落数在NH₄⁺-N浓度为9 mmol/L时达到最大（2 d），为0.6 mL^-1，说明氨氮浓度越高，PB-Z生长越快且菌落数越大。

由图4（b）可知，NH₄⁺-N浓度越高，NH₄⁺-N的降解速度越快，初始NH₄⁺-N越高，反应结束之后剩余的NH₄⁺-N浓度也越高，所以NH₄⁺-N浓度分别增加至3、6、9 mmol/L时，其NH₄⁺-N去除率只有小部分提升，分别为65.9%、67.49%、69.57%，由此可以说明2.1节中，PB-Z对NH₄⁺-N没有较高去除率的原因不是由于其NH₄⁺-N浓度小，而可能主要是由于PB-Z本身对氮源的利用率不高，导致了其NH₄⁺-N去除率不能显著提升。

由上述结果可知，NH₄⁺-N浓度越高，PB-Z降解淀粉废水的效果越好。通过对张乐^〔12〕及孙明星^〔14〕关于PB-Z产氢的最佳氮源浓度的研究分析可知，PB-Z在降解高浓度淀粉废水的最佳NH₄⁺-N浓度应该为23~25 mmol/L，NH₄⁺-N浓度过高或者过低都会影响光合混菌的生长。但是阳极NH₄⁺-N浓度越高，迁移到阴极的氨氮越多，造成MFC阴极氮去除率降低的同时阳极也会剩余大量的NH₄⁺-N，进而使得MFC整体氮去除效果变差，此外对于高浓度淀粉废水而言，选择传统的最佳NH₄⁺-N浓度可能存在着氮源不足的现象，如果额外补充氮源会增加污水的处理成本。因此，本研究综合阳极COD的去除、阴极NH₄⁺-N的迁移等因素考虑，选择NH₄⁺-N浓度为6 mmol/L作为MFC阳极的氨氮最佳浓度。

完成对光合混菌的氮源以及氮源浓度优化之后，其对淀粉废水的COD去除率提升至84.57%，氨氮去除率为67.49%。除了氮源以外，微量元素对微生物也具有重要的影响。孙明星^〔14〕发现添加Ca²⁺可以提高PB-Z的产氢量和OD₆₆₀值，在本研究中，在MFC阳极中添加不同浓度的Ca²⁺（试剂为CaCl₂）以探究其对COD去除效果的影响，结果见图5。

由图5（a）可知，Ca²⁺质量浓度为30 mg/L时，COD去除效果最好，在12 d的反应时间中从12 116.67 mg/L降至648.67 mg/L，COD去除率达到94.64%，而添加了其他浓度Ca²⁺的COD去除率均小于85%。与此同时，PB-Z的OD₆₆₀在Ca²⁺质量浓度为30 mg/L时也是最大的，尤其是在第2 d达到了0.441。这说明添加适量的Ca²⁺可以促进阳极PB-Z的生长和有机物的去除，当Ca²⁺过量后可能会对其产生抑制作用，导致降解效果变差。

由图5（b）可知，Ca²⁺的添加对PB-Z的NH₄⁺-N降解没有较大的帮助，其NH₄⁺-N去除率基本在60%~70%。因此根据COD去除效果，选择了最佳Ca²⁺质量浓度为30 mg/L，此质量浓度下NH₄⁺-N的去除率为70.13%。

（1）光合混菌PB-Z在MFC中降解高浓度淀粉废水的初试实验中，COD去除率为61.84%，TN去除率为62.89%，同时有规律性电压产生。

（2）通过将PB-Z的氮源由尿素更换为氯化铵，COD去除率提升至72.2%，NH₄⁺-N去除率为65.9%，确定氯化铵为优化后的氮源。

（3）通过优化PB-Z的氮源浓度，确定最佳浓度为6 mmol/L，此时COD去除率为84.57%，NH₄⁺-N去除率为67.49%。

（4）通过添加不同浓度的Ca²⁺，确定最佳质量浓度为30 mg/L，此时COD去除率为94.64%，NH₄⁺-N去除率为70.13%。

大部分光合细菌对光照要求较高，但是在本研究中，选用了实验室分离出的光合混菌PB-Z，并证明了其可以在自然光照（即不需要额外提供照明）、室温和静置下对高浓度淀粉废水进行有效降解，一定程度上摆脱了光照条件、温度及传质方面的限制，为其实际应用和未来工业化应用增加可行性，提供了方向和良好的理论基础。