徐金球,雷曉曉,王景偉,白建峰,方佳麗

(上海第二工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,上海201209)

微生物燃料電池處理有機(jī)廢水研究進(jìn)展

徐金球,雷曉曉,王景偉,白建峰,方佳麗

(上海第二工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,上海201209)

簡(jiǎn)單介紹了微生物燃料電池(MFC)處理廢水的發(fā)展歷史、基本結(jié)構(gòu)和工作原理,總結(jié)了國(guó)內(nèi)外用MFC處理各類(lèi)實(shí)際有機(jī)污廢水時(shí)的試驗(yàn)條件、處理效果和產(chǎn)電的功率密度等方面的研究成果,探討了MFC在實(shí)際應(yīng)用中遇到的瓶頸,展望了用MFC處理實(shí)際有機(jī)污廢水的應(yīng)用前景。

微生物燃料電池;實(shí)際有機(jī)廢水;處理效果;功率密度

0 引言

微生物燃料電池(microbial fuel cells,簡(jiǎn)稱(chēng)MFC)是利用微生物的代謝活動(dòng)實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的降解和電子的轉(zhuǎn)移而使化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的生物化學(xué)催化裝置[1-2]。MFC技術(shù)不但可以用來(lái)處理廢水,而且可以用來(lái)從廢水的污染物中收獲電能[3]。早在1910年,英國(guó)植物學(xué)家Potter[3]以葡萄糖為底物、以酵母和大腸桿菌為產(chǎn)電微生物在MFC中獲得了電壓。Habermann等[4]第一次將MFC用于處理廢水并進(jìn)行了探索。此后,MFC在空間科學(xué)研究領(lǐng)域取得了較大的進(jìn)展[5]。MFC具有比常規(guī)燃料電池的燃料來(lái)源更加多樣化、操作條件更溫和、無(wú)污染、可實(shí)現(xiàn)零排放、無(wú)需能量的輸入等方面的優(yōu)點(diǎn)[6],成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外處理污水或者廢水的研究熱點(diǎn)。在20世紀(jì)80年代,由于電子傳遞中間體的廣泛應(yīng)用使MFC的輸出功率有了很大的提高。90年代后期,隨著研究工作的進(jìn)行,發(fā)現(xiàn)了無(wú)需使用介體而能夠?qū)崿F(xiàn)電子傳遞的微生物,從此開(kāi)始了對(duì)無(wú)介體MFC的研究[7]。在無(wú)介體MFC中,底物作為能量轉(zhuǎn)化的來(lái)源,它的類(lèi)型和利用效率影響著微生物群落的結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)速度,成為了決定產(chǎn)電效率高低的重要因素之一,因此,對(duì)底物進(jìn)行分析對(duì)提高M(jìn)FC的產(chǎn)電能力具有重要的意義。

以MFC為核心的污水處理系統(tǒng)可以在降解污染物的同時(shí)產(chǎn)生能量,而且其所產(chǎn)生的能量的最大值可以達(dá)到傳統(tǒng)處理方式所耗能量的數(shù)倍,這些能量不僅可以維持整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,而且會(huì)有多余的能量輸出,因此,利用MFC處理實(shí)際污廢水的前景十分光明。

目前,實(shí)際廢水作為MFC的底物受到了廣泛的關(guān)注。由于生產(chǎn)和生活污水中含有大量的有機(jī)物(如淀粉、糖類(lèi)、脂肪和蛋白質(zhì)等),因此,可以作為MFC的燃料,而其中的污染物可以同時(shí)被降解。生活污水中含有糞便和洗滌劑,其總的特點(diǎn)是氮、硫和磷的含量高,因此,容易造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化。但從總體上來(lái)看,使用實(shí)際廢水的功率輸出一般比使用純物質(zhì)作底物時(shí)要低很多。主要原因包括以下4個(gè)方面:1)實(shí)際廢水的電導(dǎo)率比較低?？紤]到實(shí)際應(yīng)用,一般不向廢水中加入NaCl等導(dǎo)電物質(zhì),而溶液的電導(dǎo)率直接影響了MFC的內(nèi)阻,電導(dǎo)率越低,MFC的內(nèi)阻越大,輸出功率越低。2)溶液中不加入磷酸鹽等緩沖液導(dǎo)致質(zhì)子的傳遞速率降低。由于質(zhì)子不能高速有效地從陽(yáng)極傳遞到陰極,會(huì)在高電流輸出的情況下導(dǎo)致陽(yáng)極的質(zhì)子積累。使陽(yáng)極的pH值降低和陰極的pH值升高,進(jìn)而會(huì)抑制陽(yáng)極產(chǎn)電菌的活性,使陽(yáng)極電位升高以及陰極電位降低(基于能斯特方程),最終導(dǎo)致輸出功率降低。3)由于實(shí)際廢水的成分復(fù)雜,其中可能會(huì)有一些難生化降解的物質(zhì)。微生物很難直接利用這些物質(zhì)直接產(chǎn)電。4)MFC的功率輸出與底物的濃度(如實(shí)際廢水的BOD(生化需氧量)或COD(化學(xué)需氧量)濃度)相關(guān),較低的廢水濃度不利于產(chǎn)電。

1 MFC的工作原理

MFC一般由厭氧的陽(yáng)極區(qū)和好氧的陰極區(qū)組成。以葡萄糖充當(dāng)MFC的底物為例,當(dāng)在陰極室中有氧氣作為電子受體時(shí),陽(yáng)極室內(nèi)的微生物在厭氧的條件下代謝水中的有機(jī)物質(zhì)(如葡萄糖等),產(chǎn)生電子和質(zhì)子[8]。電子傳遞到陽(yáng)極,再經(jīng)由外電路到達(dá)陰極,質(zhì)子則穿過(guò)質(zhì)子交換膜或直接通過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極。在陰極室中,質(zhì)子、電子和氧氣相結(jié)合生成水,從而完成整個(gè)生物電化學(xué)的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程[9]。陰陽(yáng)兩極之間存在電位差,最高電位可達(dá)0.5～0.8 V。通過(guò)對(duì)反應(yīng)器的集成,可以將這樣的低電壓轉(zhuǎn)換成較高電壓,從而獲得可供利用的電能[10]。

以葡萄糖作底物為例,MFC陰陽(yáng)兩極的反應(yīng)方程式如下:

具體的產(chǎn)能過(guò)程見(jiàn)圖1[11-12]。

圖1 MFC工作原理示意圖Fig.1 Diagram of MFC working principle

2 MFC處理實(shí)際有機(jī)廢水的應(yīng)用研究

2.1 MFC處理生活污水

城市生活污水主要含有生活廢料和人的排泄物,雖然含有大量的細(xì)菌和病原體,但一般不含有毒物質(zhì),因此適合于用MFC進(jìn)行處理。Liu等[14]首先發(fā)現(xiàn)了生活污水可以用來(lái)在MFC中發(fā)電,在去除80%的COD的同時(shí)所產(chǎn)生的最大電功率密度為26 mW/m2。Logan等[15]采用單室MFC反應(yīng)器處理生活污水,處理后出水的BOD的去除率達(dá)到了80%。Ahn和Logan等[16]在兩種不同溫度((23±3)℃和(30±1)℃)和兩種流動(dòng)模式(批處理和連續(xù)處理)下,采用單室空氣陰極MFC對(duì)生活污水進(jìn)行了處理試驗(yàn)。結(jié)果表明:溫度是影響污水處理效果和產(chǎn)電量的一個(gè)重要參數(shù)。在連續(xù)流與中溫的條件下,所獲得的最高功率密度為422 mW/m2;但當(dāng)有機(jī)負(fù)載為54 g COD L?1·d?1時(shí),COD的去除率僅為25.8%;能量回收率與操作條件(如溫度、有機(jī)物的流動(dòng)模式、污水的速率、HRT)以及反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)有關(guān)。Yu等[17]將由六個(gè)可更換的空氣陰極MFC組成沉沒(méi)型的MFC系統(tǒng),用于評(píng)估連續(xù)流處理低濃度的生活污水的處理效果。當(dāng)有機(jī)生活污水的COD濃度為100 mg/L,有機(jī)物的負(fù)載率由0.20 kg·m?3·d?1增加至0.40 kg·m?3·d?1時(shí),MFC系統(tǒng)所顯示的最大功率密度從由91 mW/m2增加至754 mW/m2。結(jié)果證明:在無(wú)外加有機(jī)物的條件下, MFC完全可以有效地處理低濃度的生活污水。Hashemi等[18]采用上流式的MFC處理生活污水,通過(guò)試驗(yàn)考查了生活污水的有機(jī)負(fù)載率、流速以及pH值范圍對(duì)所產(chǎn)生的電壓與電流的影響,結(jié)果表明:在中性的pH范圍內(nèi),增加有機(jī)物的負(fù)載率和流速有利于提高輸出電壓。

2.2 MFC處理食品廢水

Sang等人[19]在處理高濃度食品廢水時(shí),將廢水稀釋到COD濃度為595 mg/L,所獲得的產(chǎn)電功率密度為(81±7)mW/m2,最后出水的COD濃度小于30 mg/L,COD去除率為95%。Heilmann等[20]用單室MFC處理蛋白質(zhì)廢水,利用血清蛋白素所獲得的最大輸出功率為(354±10)mW/m2。MFC在處理肉湯廢水時(shí),所獲得的產(chǎn)電功率密度為(80±1)mW/m2。若向其中加入300 mg/L的NaCl,則產(chǎn)電功率密度可以提高33%。Lu等[21]采用空氣陰極單室MFC處理COD濃度為4 852 mg/L的淀粉廢水。MFC的間歇運(yùn)行時(shí)間超過(guò)了4個(gè)周期,總的運(yùn)行時(shí)間達(dá)到了140 d。試驗(yàn)結(jié)果表明:淀粉作為陽(yáng)極室的燃料能夠得到很好的降解,COD和NH3-N的去除率分別為98.0%和90.6%,MFC對(duì)外輸出的電壓為490.8 mV,所獲得的最大電流密度為893.3 mA/m2。Min等[22]利用兩室MFC處理養(yǎng)豬廢水時(shí),廢水含溶解性化學(xué)需氧量SCOD (8 320±190)mg/L,所獲得的最大功率密度為45 mW/m2,而用空氣-陰極MFC所獲得的最大功率密度為261 mW/m2,NH3的去除率為83%,SCOD的去除率為88%～92%。Manaswini等[23]制作了3個(gè)MFC處理大米加工廠廢水:其中1個(gè)MFC以陶罐為陽(yáng)極室(工作體積為400 mL),陶罐陽(yáng)極室放在作為陰極室的塑料水桶里,以壁厚4 mm的陶罐壁為質(zhì)子交換膜,以總面積為190 cm2的不銹鋼網(wǎng)作陽(yáng)極,另外2個(gè)MFC為以不同質(zhì)子膜隔開(kāi)的雙室MFC。3個(gè)MFC對(duì)大米加工廢水的COD去除率分別為96.5%、92.6%和87.0%。Mohan等[24]構(gòu)建了無(wú)介體空氣陰極MFC,對(duì)乳品加工廢水進(jìn)行了降解試驗(yàn)研究,結(jié)果顯示:乳品加工廢水經(jīng)過(guò)MFC處理后,出水COD的去除率為95.49%,蛋白質(zhì)的去除率為78.07%,碳水化合物的去除率為91.98%,廢水濁度的去除率為99.02%。該結(jié)果表明:MFC能夠很好地降解乳品加工廢水中的底物并使廢水的濁度顯著下降。

2.3 MFC處理啤酒廠廢水

啤酒廢水由于含有糧食代謝產(chǎn)物和大量的碳元素、不含高濃度的抑制物以及本身的濃度低等原因而成為MFC的理想底物。Feng等[25]以空氣陰極MFC對(duì)啤酒廢水進(jìn)行了處理研究,當(dāng)向廢水中加入50 mmol/L的磷酸鹽緩沖劑時(shí)所獲得的最大功率密度為528 mW/m2。啤酒廢水所產(chǎn)生的最大功率密度比相同濃度的生活廢水產(chǎn)生的功率密度低的原因可能是兩種廢水的不同導(dǎo)電率所造成的。將啤酒廢水用去離子水稀釋后,導(dǎo)電率從3.23 mS/cm降低到0.12 mS/cm。Wen等[26]利用空氣陰極單室MFC處理釀造廠廢水并實(shí)現(xiàn)連續(xù)產(chǎn)電,試驗(yàn)所用的MFC以碳纖維布為陽(yáng)極、以啤酒釀造廢水為燃料,所獲得的最大功率密度為24.1 W/m3,所測(cè)得的內(nèi)阻為23.3 ?。當(dāng)不加磷酸鹽緩沖劑時(shí),廢水COD的去除率僅為20.7%,但在添加了磷酸鹽緩沖劑后廢水的COD的去除率提高至47.6%。溫青等[27]構(gòu)建了雙室連續(xù)流MFC,研究了將其用于處理啤酒廢水的處理效果及產(chǎn)電性能。在試驗(yàn)過(guò)程中,將MFC陽(yáng)極室的出水直接作為陰極室的進(jìn)水,利用陰極室的好氧微生物進(jìn)一步降解其中的有機(jī)物;采用降低進(jìn)入陰極室溶液的COD濃度、采用優(yōu)質(zhì)的陰極材料和加大陰極室內(nèi)的曝氣量等方法優(yōu)化MFC的性能。結(jié)果表明:啤酒廢水中COD的總?cè)コ士蛇_(dá)92.2%～95.1%,其中陽(yáng)極室中COD去除率為47.6%～56.5%。MFC的開(kāi)路電壓為0.451 V,最大輸出功率為2.89 W/m3。徐蘇莉等[28]采用雙室MFC對(duì)自制的模擬啤酒廢水進(jìn)行了處理,研究不同鹽橋管徑對(duì)廢水中COD和NH3-N等的去除率以及對(duì)MFC產(chǎn)電性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)鹽橋的管徑為12 mm時(shí),COD和NH3-N的去除率分別為95.2%和71.8%,最大輸出電壓為308 mV。蔣勝韜等[29]通過(guò)構(gòu)建無(wú)介體雙室MFC,考察其降解啤酒廢水的效果及產(chǎn)電特性。研究了外接電阻、溫度和陰極曝氣等條件對(duì)MFC產(chǎn)電性能的影響,監(jiān)測(cè)了電池外電壓和電極電勢(shì)的變化過(guò)程,分析了MFC的運(yùn)行機(jī)制,測(cè)得以碳纖維布作為陽(yáng)極材料的雙室型MFC的內(nèi)阻為1 000 ?,最大產(chǎn)電功率密度為375 mW/m2。以啤酒廢水為底物的MFC對(duì)COD的去除率為84%,外電壓為0.21 V,庫(kù)侖效率為15%。

2.4 MFC處理造紙廢水

Huang和Logan[30]采用MFC處理造紙廠的循環(huán)廢水,在加入100 mmol/L的磷酸鹽緩沖劑后,功率密度達(dá)到了501 mW/m2,溶解性化學(xué)需氧量SCOD的去除率為73%,纖維素的去除率為96%,說(shuō)明MFC對(duì)造紙廠循環(huán)廢水中的可溶性有機(jī)物和纖維素均有顯著的去除效果。趙世輝等[31]以厭氧活性污泥為接種體構(gòu)建了以鐵氰化鉀為陰極的MFC,對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽的降解及產(chǎn)電效果進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:MFC中的微生物在經(jīng)過(guò)了6個(gè)周期并逐漸添加木質(zhì)素磺酸鹽進(jìn)行馴化以后,以木質(zhì)素磺酸鹽為單一底物的MFC運(yùn)行所產(chǎn)生的最大功率密度為120.3 mW/m2。經(jīng)過(guò)94 h的運(yùn)行,MFC中陽(yáng)極液的COD和木質(zhì)素磺酸鹽的去除率分別為39.8%和49.3%。由于MFC在產(chǎn)電的同時(shí)使木質(zhì)素磺酸鹽作為底物在MFC中得到了有效的降解,因此,該研究結(jié)果為造紙廢水中生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)和利用提供了新的途徑。

2.5 MFC處理染料廢水

由于染料廢水的顏色能阻止光線(xiàn)透過(guò)以及氧氣進(jìn)入水體而嚴(yán)重影響水生生物的生長(zhǎng),因此解決染料廢水的問(wèn)題首先是要解決脫色的問(wèn)題,盡管大多數(shù)理化處理方法都可以高效地去除廢水中的染料成分,但是較高的處理成本限制了它們應(yīng)用的廣泛性。Sun等[32]利用空氣陰極單室MFC對(duì)染料廢水的脫色和生物產(chǎn)電情況進(jìn)行了研究。所選用的染料為活性艷紅X-3,單室MFC的實(shí)際反應(yīng)體積為900 mL,陰極與陽(yáng)極材料均為碳紙,陰極的大小與陽(yáng)極相近,陰極分為兩面,朝水的一面鍍了一層催化劑0.5 mg·cm?2Pt,朝空氣的一面涂了一層聚四氟乙烯。分別以葡萄糖、醋酸、蔗糖和實(shí)際糖業(yè)廢水為MFC的底物進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果顯示:與傳統(tǒng)的厭氧處理方法相比,MFC對(duì)活性艷紅X-3的降解有促進(jìn)作用,生物降解是廢水中染料成分去除的主要作用機(jī)制。在降解過(guò)程中,當(dāng)活性艷紅X-3的質(zhì)量濃度在300 mg/L以下時(shí),X-3的濃度對(duì)MFC的產(chǎn)電性能沒(méi)有明顯的影響,但是濃度過(guò)高會(huì)有抑制產(chǎn)電的影響。為了解決內(nèi)部電阻高、功率輸出低、材料昂貴和MFC反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素嚴(yán)重阻礙MFC大規(guī)模應(yīng)用的問(wèn)題,Kalathil等[33]研制了一個(gè)裝載有顆粒活性碳的生物陰極單室MFC系統(tǒng)(GACB-SCMFC),將其用于實(shí)際染料廢水的脫色處理研究。將染料廢水在厭氧的陽(yáng)極區(qū)進(jìn)行初步的處理,在有氧的陰極區(qū)進(jìn)行深度處理。在未使用任何昂貴材料的條件下, GACB-SCMFC系統(tǒng)所產(chǎn)生的輸出功率密度達(dá)到了8 W/m3。這樣的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,生物陰極是鉑和其他化學(xué)催化劑的良好替代品。毒性測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果表明:與未經(jīng)處理的染料廢水相比,經(jīng)GACB-SCMFC系統(tǒng)處理后廢水的毒性明顯降低。在試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn),在經(jīng)過(guò)了48 h的水力停留時(shí)間(HRT)以后,GACB-SCMFC系統(tǒng)的pH值由12.2自動(dòng)調(diào)整至8。

2.6 MFC處理萃取廢水

Rabaey等[34]以含碳水化合物的葡萄糖、工廠的實(shí)際萃取液和人工廢水為MFC的陽(yáng)極底物進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:在陽(yáng)極室裝有石墨顆粒填充床的MFC的處理效果最好。在含有氧化還原介體的批處理反應(yīng)器中,陽(yáng)極室的輸出功率可以高達(dá)479 W/m3。若MFC以連續(xù)流的方式進(jìn)行運(yùn)行,陽(yáng)極室的輸出功率僅為49 W/m3。在連續(xù)流方式中加入氧化還原介體并未顯著提高輸出功率,該試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明氧化還原介體所起的作用有限。將工廠的實(shí)際萃取液為底物以連續(xù)流方式在MFC中進(jìn)行運(yùn)行處理,當(dāng)陽(yáng)極室的負(fù)載率為1 kg·m?3·d?1時(shí)所獲得的最大庫(kù)侖效率和能量轉(zhuǎn)換效率分別為50.3%和26.0%。

2.7 MFC處理制藥廢水

Velvizhi等人[35]進(jìn)行了以MFC處理制藥廢水的研究。以實(shí)際難降解的制藥廢水為MFC的陽(yáng)極電解質(zhì),在有機(jī)載荷分別為OL1-1.98,OL2-3.96,OL3-5.93,OL4-7.98千克COD/m3的條件下研究了產(chǎn)電微生物活性的相對(duì)變化。研究結(jié)果表明:微生物的產(chǎn)電活性隨有機(jī)載荷的增加而增加(OL1-256 mV, 72.60 mW/m2;OL2-290 mV,112.97 W/m2;OL3-320 mV,158.58 W/m2;OL4-346 mV,205.61 W/m2)。但由于陽(yáng)極的過(guò)電勢(shì)造成了電子轉(zhuǎn)移的障礙和電勢(shì)的損失,導(dǎo)致輸出功能的增加與有機(jī)載荷的增加并不成線(xiàn)性關(guān)系。

2.8 MFC處理化工廢水

駱海萍等[36]通過(guò)構(gòu)建填料型微生物燃料電池(microbial fuel cell,MFC),對(duì)葡萄糖、苯為單一燃料和葡萄糖+苯混合燃料條件下MFC的產(chǎn)電性能及苯的降解效果進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:1 000 ?外電阻條件下,以1 500 mg/L葡萄糖作為單一燃料時(shí),MFC可獲得的最高功率密度為228 mW/m2(陽(yáng)極),相應(yīng)的體積功率密度為20.5 W/m3(按陽(yáng)極室有效體積計(jì)算);以1 000 mg/L苯作為單一燃料時(shí),最高功率密度為9.5 mW/m2(陽(yáng)極),體積功率密度為0.9 W/m3;以(1 000 mg/L葡萄糖)+(600 mg/L苯)為混合燃料時(shí),最高功率密度為288 mW/m2(陽(yáng)極),相應(yīng)的體積功率密度為25.9 W/m3。在(1 000 mg/L葡萄糖)+(600 mg/L苯)混合燃料的情況下,MFC在24 h內(nèi)可將苯完全降解,產(chǎn)電周期結(jié)束時(shí)MFC的COD去除率在95%以上。以1 500 mg/L葡萄糖和((1 000 mg/L葡萄糖)+(600 mg/L苯))分別作為燃料時(shí),MFC可獲得的庫(kù)侖效率分別為15.7%和2.3%。結(jié)果表明:MFC能夠利用苯作為燃料,在實(shí)現(xiàn)高效降解的同時(shí)可穩(wěn)定地向外輸出電能,這為苯類(lèi)難降解有機(jī)物的高效低耗處理提供了新的研究思路。

2.9 MFC處理垃圾滲濾液

唐玉蘭等[37]將催化劑吸附到碳?xì)稚现谱髁薋e/C催化劑碳?xì)挚諝怅帢O電極,考察了初始活性炭粉的投加量和硝酸鐵的濃度對(duì)以垃圾滲濾液為燃料的MFC產(chǎn)電性能的影響。通過(guò)循環(huán)伏安測(cè)試對(duì)不同硝酸鐵濃度下自制陰極電極的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià),在最佳催化條件下,考察了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性,并對(duì)不同進(jìn)水COD濃度下同步產(chǎn)電和污水的凈化性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:隨著活性炭粉投加量或硝酸鐵濃度的增加, MFC的產(chǎn)電性能均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì);當(dāng)活性炭粉的投加量為1 g且硝酸鐵的濃度為0.25 mol/L時(shí),MFC的性能最佳,功率密度為4 199.8 mW/m3,表觀內(nèi)阻為465 ?;當(dāng)硝酸鐵的濃度和活性炭粉的用量之比在最佳范圍內(nèi)時(shí),MFC的內(nèi)阻和功率密度分別隨著催化劑用量的增加而減小和增加;通過(guò)循環(huán)伏安測(cè)試進(jìn)一步表明:硝酸鐵濃度為0.25 mol/L時(shí)的放電容量最大,且MFC性能穩(wěn)定;在最佳催化條件下,隨著進(jìn)水COD濃度的增加,MFC產(chǎn)電性能增加,功率密度為5 478.92 mW/m3,垃圾滲濾液的COD最大去除率為89.1%。

Evren等[38]使用上流式厭氧污泥層反應(yīng)器對(duì)一種高濃度的短齡垃圾滲濾液廢水進(jìn)行預(yù)處理后,該廢水的性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N類(lèi)似中齡垃圾滲濾液的廢水。再將該廢水以連續(xù)流的方式引入MFC的陽(yáng)極室進(jìn)行深度處理。當(dāng)水力停留時(shí)間為5天時(shí),所獲得的最大電流密度和功率密度分別為525 mA/m2和158 mW/m2。該研究結(jié)果表明:垃圾滲濾液在經(jīng)過(guò)厭氧預(yù)處理后可用MFC進(jìn)行深度處理。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)考慮到MFC未來(lái)實(shí)際應(yīng)用的可能性,MFC的研究工作在優(yōu)化MFC反應(yīng)器的構(gòu)型設(shè)計(jì)、電極材料的選擇、降低MFC的成本、提高輸出功率和底物利用效率等方面還有許多的問(wèn)題需要解決。

(2)目前,用MFC處理各類(lèi)廢水的研究工作大多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,也有863項(xiàng)目關(guān)于MFC處理廢水的中試研究,但是MFC技術(shù)還未真正進(jìn)入到處理實(shí)際廢水的應(yīng)用階段。其主要原因在于MFC的輸出功率密度太低[39-40],這也是MFC技術(shù)走向市場(chǎng)的瓶頸所在。為了解決這個(gè)問(wèn)題,深入研究MFCs的產(chǎn)能理論,選用高活性的微生物,進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu),研究運(yùn)行參數(shù)對(duì)MFC產(chǎn)電效率的影響以及構(gòu)建MFCs的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型[41]是今后的研究工作所需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

(3)濃度較高的糖類(lèi)或者小分子酸類(lèi)的有機(jī)廢水(例如淀粉廢水和啤酒廢水等)比較適合于作為MFC的底物進(jìn)行能量的回收和利用?？梢灶A(yù)期,在不久的將來(lái),大規(guī)模高輸出功率的多元生物質(zhì)MFC將被廣泛地應(yīng)用于廢棄生物質(zhì)的能源回收。在偏遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū),可以用有機(jī)廢水作為陽(yáng)極燃料,串聯(lián)一系列的MFC作為分散式的電源提供給當(dāng)?shù)鼐用袷褂谩?/p>

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Research Progress of Microbial Fuel Cell for Treating Actual Organic Wastewater

XU Jin-qiu,LEI Xiao-xiao,WANG Jing-wei,BAI Jian-feng,FANG Jia-li
(School of Urban Development and Environmental Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

The basic structure,working principles and development history of microbial fuel cell for treating wastewater were described.The research progresses of the achievements of the experimental conditions,treating ef f ects and electrical power densities in recent years were summarized when microbial fuel cells were used for treating all kinds of actual organic wastewater.The bottlenecks of MFC actual application in the future were pointed out.The applications of MFC for treating actual organic wastewater were forecasted.

Microbial fuel cells;actual organic wastewater;treatment ef f ects;power density

X703.5

A

1001-4543(2013)03-0173-07

2013-04-25;

2013-08-18

徐金球(1965–),女,湖北通城人,教授,博士,主要研究方向?yàn)樗幚?電子郵箱jqxu@sspu.edu.cn。

國(guó)家級(jí)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(No.201212044007)、上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)項(xiàng)目(No.12zz194)和上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(No.J51803)資助