羅　鷗，楊永剛，劉國光，許玫英，3

（1.廣東工業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，廣東廣州510006；2.廣東省微生物研究所，廣東省菌種保藏與應用重點實驗室，廣東廣州510070；3.省部共建華南應用微生物國家重點實驗室，廣東廣州510070）

專論與綜述

微生物燃料電池耦合型廢水處理反應器研究進展

羅鷗1，2，楊永剛2，劉國光1，許玫英2，3

（1.廣東工業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，廣東廣州510006；
2.廣東省微生物研究所，廣東省菌種保藏與應用重點實驗室，廣東廣州510070；3.省部共建華南應用微生物國家重點實驗室，廣東廣州510070）

隨著生物電化學技術研究的發(fā)展，多種應用于廢水處理的新型微生物燃料電池（MFC）耦合反應器不斷出現(xiàn)，在污染物降解和能量回收中展現(xiàn)了多種優(yōu)勢。重點綜述了近年來報道的典型的MFC耦合型廢水處理反應器，并對其耦合機理、運行效果及存在的問題進行了比較分析，以期為生物電化學耦合型廢水處理反應器的進一步優(yōu)化和發(fā)展提供參考。

微生物燃料電池；廢水處理；耦合反應器；產電微生物

微生物燃料電池（MFC）是一種通過微生物作用將環(huán)境中的有機物甚至有毒物質降解并獲得電能的新型反應器，具有胞外電子傳遞功能的微生物（產電微生物）在MFC中發(fā)揮著核心作用〔1-3〕。

自1911年M.C.Potter首先發(fā)現(xiàn)了微生物代謝可以產生電壓的現(xiàn)象〔3〕以來，MFC的結構和功能就得到不斷優(yōu)化，使MFC對有機物的轉化效率和產電效能不斷得到提升，如在過去十幾年里MFC的功率密度增大數(shù)十萬倍〔4〕，MFC的應用也逐漸拓展到生物修復、二氧化碳減量、脫鹽、生物合成、貴金屬回收等領域〔5〕。

目前，MFC已被用于生活污水、養(yǎng)殖廢水以及各種工業(yè)廢水的處理研究。本課題組及其他研究者的報道還表明，MFC對垃圾滲濾液、多溴聯(lián)苯醚、多環(huán)芳烴等難處理廢水或持久性難降解污染物也有顯著的強化降解效果〔5-6〕。MFC在廢水處理過程中體現(xiàn)出多種優(yōu)勢：（1）基質來源廣泛；（2）變廢為能；（3）降解效率高；（4）環(huán)境友好；（5）運行成本低廉〔7〕。然而，由于不同廢水的理化特性不同，以及MFC自身存在的結構及運行條件方面的限制，單獨使用MFC處理廢水難以實現(xiàn)最佳效果。越來越多的研究表明，將MFC技術與傳統(tǒng)廢水處理工藝耦合，可以實現(xiàn)不同工藝的優(yōu)勢互補，從而進一步提高廢水處理及能源回收的效果。筆者對近年來報道的不同類型的MFC耦合廢水處理工藝進行綜述，并對其耦合機理、運行效果及存在問題進行比較分析，從而為新型環(huán)保能源技術的開發(fā)及現(xiàn)有技術的進一步優(yōu)化提供參考。

1　　MFC耦合反應器

目前MFC仍以實驗室小體積裝置（＜1 L）研究為主，如何實現(xiàn)高效擴大是MFC應用面臨的主要問題之一。將MFC與傳統(tǒng)的、可規(guī)?；奈鬯幚砉に囘M行耦合，不僅可進一步強化廢水中污染物的降解轉化，而且為MFC的擴大化應用提供了多種選擇〔2，8〕。表1列出了目前已報道的MFC耦合型廢水處理反應器。

表1　不同耦合結構MFC的總結

1.1MFC耦合厭氧流化床

厭氧流化床（AFB）具有返混效果好、傳質速率快、反應面積大等特點，因而AFB也被較多的研究者用來與MFC耦合〔9，28〕。趙書菊等〔9〕構建了以活性炭為載體的無膜柱狀AFB-MFC體系，如圖1所示。

圖1　AFB-MFC結構

加入活性炭填料可以顯著縮短AFB-MFC的啟動周期，這主要是因為活性炭比表面大，為微生物提供了更多的附著空間從而有利于產電微生物的富集。AFB-MFC運行5 d，COD去除率可達91%。但由于產甲烷菌等其他厭氧微生物的存在，裝置庫倫效率僅為3%左右。進一步實驗表明〔28〕，隨著流速增加，反應器最大功率密度增大至450mW/m3，但進一步增加流速時，最大功率密度反而降低，這是流速對陽極室內傳質及電子傳遞效率、流速對微生物膜生長雙重影響的結果。此外，在陰極添加一定量的銀可以改善陰極的導電性，提高MFC的產電性能，但不能提高廢水COD的去除率〔29〕，這可能是銀離子對微生物具有毒害性的原因。

J.S.Huang等〔10〕用AFB-MFC耦合體系處理酒精蒸餾廢水。系統(tǒng)運行一段時間后，微生物群落結構相對穩(wěn)定，COD去除率達到89.95%，對進水COD波動的耐受性增強。同時，當有機負載率（OLR）最大時，系統(tǒng)輸出電壓最大為611mV，最大功率密度為93.33mW/m2。其后，AFB-MFC除碳脫氮及產電研究表明〔11〕，在進水COD從860mg/L下降至159mg/L時，系統(tǒng)功率密度從30～40mW/m3下降至16mW/m3?？拙S芳等〔30〕研究結果表明，當分別以亞甲基藍和中性紅為電子介體時，最大功率密度分別為149、331 mW/m2，COD去除率分別為83%、91%，但系統(tǒng)庫倫效率較低，推測可能是因為氧氣通過陰極室進入陽極室，部分有機物被好氧分解，同時還有一部分有機物被硝化細菌、硫化細菌等非產電菌分解。電子介體的添加可以提高微生物與電極之間的電子傳遞速率，降低裝置內阻。但需注意的是，電子介體的添加也會增加裝置的運行成本，某些電子介體（如染料類）還具有生態(tài)毒性，因而不適于實際應用。

1.2MFC耦合膜生物反應器

膜生物反應器（MBR）與傳統(tǒng)活性污泥法相比，有污泥濃度高、容積負荷高、占用空間小、污泥產率低等特點。然而，膜污染及其導致的維護、運行費用的提高，限制了MBR的廣泛應用〔13-14〕。王翠娜等〔13〕構建的小型MBR-MFC反應器的COD去除率為94%，NH4+-N的去除率為92%，而且耦合系統(tǒng)能夠有效減緩膜污染的發(fā)生，清洗周期延長了28%。另外，耦合系統(tǒng)混合液脫水性能也有所提高。Yu Tian等〔14〕利用微濾膜以及超濾膜構建了AnMBER，如圖2所示。

圖2　AnMBER系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)運行600h后，COD去除率達到了91.6%，硝酸鹽去除率達到了94.8%，最大功率密度為1.16 W/m3。另外，對比開路下的厭氧膜生物反應器，膜污染程度也大幅度減緩，這主要是因為陰極混合液中較低的離子電位和可溶性微生物代謝產物低濃度所致。產電微生物可利用VFAs、可溶性蛋白、可溶性糖類作為電子供體〔31〕，因此有理由推測大部分的微生物代謝產物被MFC作為電子供體利用。

1.3MFC耦合厭氧折流板反應器

厭氧折流板反應器（ABR）工藝因為廢水在每個污泥床中沿著導流板上下流動，導致污泥停留時間（SRT）增加，污染物能充分接觸微生物，加速其降解；而且其耐水力沖擊負荷能力強，對有毒有害物質沖擊適應能力強〔15-16〕。Yujie Feng等〔15〕構建了一個板式空氣陰極應器（BAFMFC），如圖3所示。

圖3　BAFMFC的結構

實驗初期采用1 000mg/L的葡萄糖作為基質，COD負荷為4.11 kg/（m3·d），系統(tǒng)功率密度可達15.2 W/m3，同時COD去除率可達到81.9%。其后，使用玉米秸稈氣爆過程產生的溶液作為實際廢水處理，COD為7 160mg/L，最大功率密度可達10.7W/m3，COD去除率達到89.1%，表明了該系統(tǒng)有著良好的耐沖擊能力。J.M.Sonawane等〔16〕設計的反應器MEMFC在序批式模式下運行，反應器獲得的最大功率密度為424mW/m2，回流效率提升了39%，這主要是因為內循環(huán)增加了有機物的擴散從而降低了質子損失。

Dan Cui等〔32〕使用一個四格室的ABR耦合生物電化學系統(tǒng)對偶氮染料廢水進行脫色研究。相對于單獨ABR工藝，耦合裝置通過外加電流刺激，在提高裝置內底物的利用效率的同時，偶氮染料的最大脫色率也提高了10%左右。而本課題組目前的研究還表明，即使無外加電流，ABR-MFC耦合系統(tǒng)的偶氮染料脫色率和COD去除率也比單獨ABR工藝有顯著提高（未發(fā)表）。

1.4MFC耦合厭氧-好氧工藝

傳統(tǒng)厭氧-好氧（A/O）工藝是處理生活污水和工業(yè)廢水的主要工藝，污水經(jīng)過厭氧、好氧交替處理可實現(xiàn)對其中有機物和氨氮的去除。Shan Xie等〔18〕考察了好氧MFC（O-MFC）和缺氧反硝化MFC（AMFC）耦合工藝對模擬氨氮廢水處理情況，當體系連續(xù)運行時，O-MFC和A-MFC的輸出功率分別為14.2、8.8W/m3，體系COD、氨氮、TN的去除率分別為98.8%、97.4%、97.3%。吳偉杰〔19〕設計了無膜生物陰極MFC，水力停留時間（HRT）為24 h時，COD、氨氮去除率可分別達89.6%、92%。隨著HRT的增加，COD以及氨氮去除率呈上升趨勢。研究者推測，在HRT較短的情況下，氨氮去除以吸附和擴散為主，生物硝化反應不充分，導致出水氨氮濃度較高；而在HRT較長情況下，氨氮去除以硝化為主，去除率較高。

1.5MFC耦合其他反應器

SBR也是一種研究較多的廢水處理工藝，目前將SBR與MFC耦合的研究較少。YongpengWang等〔24〕首次將這兩種模型耦合，優(yōu)化COD負荷分布，當HRT從10min增加到40min時，COD去除率增加了52.4%，同時最大功率密度從3.9W/m3增加到4.5 W/m3。而本課題組的前期研究分別使用SBR和雙室MFC對老齡垃圾滲濾液進行處理，經(jīng)過40 d的運行，發(fā)現(xiàn)MFC有更好的COD和氨氮去除效果〔33〕。

氧化溝是一種由連續(xù)環(huán)式反應池構成的反應器。孫永軍等〔25〕將MFC作為模塊填充到氧化溝內，最大輸出功率僅0.15mW，陰極生物膜的性能可能是限制產電的重要原因。與無MFC的氧化溝相比，耦合體系的COD和TN去除率無明顯變化，可能是構建的該MFC占整個氧化溝的體積比例小所致；而環(huán)流作用也會導致微生物的生長富集較慢，傳質速率慢。

植物微生物燃料電池（PlantMicrobial FuelCells，PMFC）于2008年首次提出，它是一種高效而清潔地將光能轉化為電能的體系〔34〕。在PMFC體系中，植物根系分泌化合物（主要包括糖類、有機酸、蛋白質等）占植物光合作用產生有機物的20%～40%，可以為根際產電細菌的產電提供源源不斷的電子來源〔35〕。M. Helder等〔26〕設計的一種在室外運行的PMFC，運行周期長達包括冬季在內的221 d。研究結果表明，電流密度和功率密度波動大，最大輸出功率密度為88 mW/m2，且效果遠差于室內條件（440mW/m2）。

2　展望

在不同領域科研人員的共同努力下，MFC作為一種新型的污染物降解技術在過去的十幾年里取得了長足的發(fā)展，并逐步從實驗室走向實際應用。MFC與傳統(tǒng)廢水處理工藝的耦合，不僅可以提高廢水中污染物的降解和轉化效率，還可以在一定程度上實現(xiàn)對廢水中能量的回收，加速MFC的規(guī)?；茝V應用。綜合以上分析，用于廢水處理的MFC耦合反應器還需重點解決以下幾方面的問題：（1）MFC耦合反應器中微生物的代謝網(wǎng)絡特點及其協(xié)同機制亟待闡明。MFC耦合反應器中不僅存在降解性功能微生物，還存在相當部分具有電化學活性的產電功能微生物，其微生物代謝網(wǎng)絡與常規(guī)的微生物反應系統(tǒng)相比存在較大的差異。然而，目前對有關MFC耦合反應器中微生物的代謝網(wǎng)絡特點了解極少，限制了對反應器的進一步優(yōu)化。（2）MFC耦合反應器中毒害性有機污染物的降解機理研究亟待深入。毒害性有機污染物在MFC耦合反應器中不僅會發(fā)生降解轉化，而且還可以被轉化為電能，比常規(guī)生物反應系統(tǒng)中的反應復雜得多。但目前對于MFC耦合反應器中毒害性有機污染物的降解機理仍不清楚。（3）MFC耦合反應器對低濃度新興污染物的降解脫毒。隨著高速的工業(yè)化發(fā)展進程，廢水中污染物的種類不斷增加，其中包括多種低濃度毒害性新興污染物。除了分析裝置中傳統(tǒng)典型的污染物之外，還需加強對其中低濃度新興污染物降解脫毒的關注。

隨著MFC在材料、結構以及微生物功能調控技術等方面的不斷優(yōu)化，以及越來越多放大化的新型MFC耦合型裝置在廢水處理研究中的使用，MFC耦合裝置正逐漸接近實際應用。目前，在國內外有多個研究團隊正在嘗試將MFC耦合型裝置或其他生物電化學裝置用于規(guī)模化的實際廢水處理，并有望在未來幾年作為一種新型的廢水處理技術在更大范圍內實現(xiàn)推廣和應用。

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Research progress in them icrobial fuelcellcoupling wastewater treatment reactor

Luo Ou1，2，Yang Yonggang2，Liu Guoguang1，Xu Meiying2，3
（1.CollegeofEnvironmentalScienceand Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；2.Guangdong Provincial Key Laboratory ofMicrobialCulture Collection，Guangdong InstituteofMicrobiology，Guangzhou 510070，China；3.State Key Laboratory of Applied Microbiology Southern China，Guangzhou 510070，China）

With the developmentofbioelectrochemical techniques，a variety ofnovelmicrobial fuel cell（MFC）coupling reactors forwastewater treatmenthavebeen reported and showedmany advantages in pollutantdegradation and energy recovery.Typical MFC coupling reactors reported in recent years are reviewed emphatically.Its coupling mechanisms，operatingeffect，performancesand possible problemsare compared and analyzed to provide information and reference for the furtheroptimization and developmentofmicrobialelectrochemical fuel cell couplingwastewater treatment reactors.

microbial fuel cell；wastewater treatment；coupling reactor；electricigens

X703

A

1005-829X（2016）03-0001-05

國家自然科學基金項目（31570111）；廣東省自然科學基金（2014A030308019，2013B010102015）

羅鷗（1991—），碩士。通訊聯(lián)系人：許玫英，電話：020-87683656，E-mail：xumy@gdim.cn。

2016-01-18（修改稿）