張文莉 李杰

摘要：指出了微生物燃料電池應(yīng)用于廢水處理中在降解污染物的同時產(chǎn)生電能，是符合可持續(xù)發(fā)展的新型應(yīng)用研究。概述了微生物燃料電池應(yīng)用于市政或生活污水、農(nóng)業(yè)廢水、工業(yè)廢水等不同類型廢水的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了該應(yīng)用現(xiàn)存的問題與未來研究建議。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池，廢水處理;應(yīng)用現(xiàn)狀

中圖分類號：X505 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2020）04-0011-03

1 引言

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，不可再生能源日益枯竭;各類廢水排放量與其排放標(biāo)準(zhǔn)也變大、變高，人們對微生物燃料電池的關(guān)注度越來越高。微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）作為一種創(chuàng)新技術(shù)，應(yīng)用在廢水處理上不僅可以降低廢水處理的成本，也為人類提供獲取能源的新途徑。但其在實際投入運行時仍存在很多弊端，這嚴(yán)重阻礙了MFC技術(shù)的發(fā)展。故為推廣這項新技術(shù)，需對MFC作更深入的研究，增大將其投入實際運行的可行性。

本文綜述了MFC技術(shù)處理各類廢水的研究進(jìn)展，以期能在環(huán)境治理和能源方面得到更廣泛、深入的應(yīng)用，為未來的研究工作提供一些參考和借鑒。

2 MFC在實際廢水處理中的性能

2.1 市政或生活污水

目前城市生活污水處理廠通常采用好氧活性污泥法進(jìn)行污水處理，在曝氣階段對電能需求較大且工藝最終會產(chǎn)生大量剩余污泥，又因其排放量大，污水廠運行成本較大。而MFC可彌補傳統(tǒng)處理技術(shù)的不足，符合廢物資源化原則[1]。

隨著對MFC實際應(yīng)用研究的增多，生物陰極型MFC成為了近年來研究的熱點[2，3]。Puig S等[4]建立并使用空氣陰極的單室MFC系統(tǒng)模型處理的生活污水，功率輸出為1.14W/m3， COD去除率為80.0%。Rodrigo MA等[5]采用雙室MFC， COD去除率為30.0%，最大功率密度為25MW/m2。Li等[6]將短程硝化和反硝化結(jié)合采用三室MFC，其TN去除率高達(dá)99.9%，凈產(chǎn)電量為0.007kW·h/m3。Me等[7]采用好氧與缺氧生物陰極兩三室MFC復(fù)合運行，其TN去除率高達(dá)97.3%。崔心水等[8]構(gòu)建了三室雙陰極MFC系統(tǒng)，結(jié)果顯示該MFC系統(tǒng)對COD和NH4+-N具有良好的去除效果，去除率分別高達(dá)98%和95%以上，厭氧陽極·缺氧陰極和好氧陰極的最大功率密度分別達(dá)到1.88W/m3，0.74W/m3和0.59W/m3。

1.2 農(nóng)業(yè)廢水

動物糞便廢水是農(nóng)業(yè)廢水的主要成分[9]，其中含有大量有機物、懸浮物、氮、磷，并散發(fā)惡臭氣體，水量大且排放集中，對環(huán)境和水體造成嚴(yán)重污染。因此必須對農(nóng)業(yè)廢水進(jìn)行處理，解決水污染和氣味問題[10]。而能凈化富含有機質(zhì)的農(nóng)業(yè)水并產(chǎn)生電能的MFC系統(tǒng)是處理農(nóng)業(yè)廢水的新方向[11，12]。

Min等[13]最先將雙室液相陰極型MFC和單室空氣陰極型MFC技術(shù)應(yīng)用于豬場廢水的研究，結(jié)果表明，雙室MFC處理溶解性化學(xué)需氧量為8320mg/L的豬場廢水可獲得最大的功率密度為45mW/m2，而單室MFC處理更高濃度的豬場廢水時，可獲得最大功率密度為261mW/m2，氨氮的去除率達(dá)到了83%。此后，Yokoyama等[14]采用單室空氣陰極反應(yīng)器對牛糞便進(jìn)行了處理時，COD和生化需氧量去除率分別為70%和84%，最大功率密度為0.34MW/m2。MFC在降解養(yǎng)殖廢水中所含有機物的同時獲得了電能，保護(hù)了環(huán)境和水體不受污染，這項技術(shù)對農(nóng)業(yè)廢水的處理提供了很大的幫助。

2.3 工業(yè)廢水

2.3.1 食品加工廢水

食品工業(yè)廢水有機物質(zhì)和懸浮物含量高，一般毒性不大，主要有制糖廢水、淀粉加工廢水、啤酒釀造廢水、乳業(yè)廢水等。許多研究人員已經(jīng)運用MFC系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電并對其進(jìn)行了處理[15]。

Kapadnis等[16]第一次使用活性污泥為微生物源，以巧克力工業(yè)廢水為底物，構(gòu)建雙室型MFC，由實驗結(jié)果可知，處理后廢水的TS（處理前2344mg/L處理后754mg/L），BOD5（處理前640mg/L處理后230mg/L），COD（處理前1459mg/L處理后368mg/L）都有了明顯的下降。溫青等[17]第一次構(gòu)建了雙極室連續(xù)流聯(lián)合處理啤酒廢水的MFC，研究表明，采用雙極室連續(xù)流MFC可以大大提高廢水的處理效果，對啤酒廢水化學(xué)需氧量（COD）的總?cè)コ士蛇_(dá)92.2%～95.1%。趙海等[18]最先采用空氣陰極MFC處理甘薯燃料乙醇廢水，以COD為5000mg/L的廢水做底物，獲得的最大電功率為334.1mW/m2，庫侖效率為10.1%，COD去除率為92.9%。

2.3.2 染料廢水

工業(yè)廢水（主要來自染料制造和紡織工業(yè)）包括大量的合成化學(xué)染料[19]。染料廢水色度大、成分復(fù)雜、生物毒性大、處理難度大，若直接排放會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，故必須對其進(jìn)行深度處理。利用微生物電化學(xué)系統(tǒng)處理染料廢水是一種既節(jié)能環(huán)保又高效的處理廢水的技術(shù)。

現(xiàn)有就MFC對某些染料的脫色能力的研究。Kal-athil等[20]在沒有任何昂貴的同步真實染料脫色和生物發(fā)電材料的情況下，首次開發(fā)了一種顆?；钚蕴炕℅ACB-MFC）。結(jié)果表明，陽極和陰極的去色率分別為73.0%和77.0%，COD去除率分別為71.0寫和76.0%。Sun等[21]將單室MFC系統(tǒng)引入處理活性艷紅X-3B濃度為300mg/L的偶氮染料廢水系統(tǒng)，最大產(chǎn)能為0.842W/m3 Luo等[22]第一次使用雙室MFC系統(tǒng)處理苯酚濃度為1000mg/L，葡萄糖濃度為500mg/L的混合廢水，相比于400mg/L的單苯酚廢水，最大功率密度由9.1W/m3提高到了28.3W/m3，去除率在60h內(nèi)都超過了95%，說明沒有共基質(zhì)也能降解苯酚并產(chǎn)電。

3 發(fā)展前景

與傳統(tǒng)廢水處理方法相比MFC處理效果良好，工藝流程短，還可以發(fā)電，因此MFC系統(tǒng)有望成為可持續(xù)新型系統(tǒng)，以滿足日益增長的廢水處理和環(huán)境保護(hù)的能源需求。目前MFC應(yīng)用于廢水處理的研究主要是小規(guī)模的實驗室系統(tǒng)，雖然過去十年的研究使其功率密度增加了幾個數(shù)量級，但要將這些系統(tǒng)推廣到大規(guī)模的實際應(yīng)用中還需進(jìn)一步的突破[23～29]。

（1）目前MFC是由單一菌種構(gòu)建所成。在實際應(yīng)用中，單一菌種無法適應(yīng)復(fù)雜的水質(zhì)變化。篩選能將有機物都能作為電子供體的微生物來代替單一菌種是未來研究的方向之一。

（2）陰陽兩極室的MFC由質(zhì)子交換膜隔開，這種結(jié)構(gòu)不利于MFC的擴大使用。單室設(shè)計的MFC有利于擴大使用，即將質(zhì)子交換膜纏繞在陰極棒上置于陽極室中，但大規(guī)模的使用有待試驗檢驗。

電能的輸出主要受陰極的影響。陰極產(chǎn)生的氧氣通過質(zhì)子交換膜后對陽極的兼性厭氧菌產(chǎn)生影響，氧氣作為電子受體，而非電極，這嚴(yán)重影響電量的輸出，故陰陽極的材料選擇是MFC研究的重要方向之一。

（3）在環(huán)境污染與能源短缺的今天，利用MFC降解多種廢水同時產(chǎn)電有著很大發(fā)展空間，隨著生物和化學(xué)學(xué)科交叉研究的深入，其必將在處理污水和能源可持續(xù)發(fā)展方面得到更廣闊的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]Liu H，Ramnarayanan R，Logan BE.Production of electricity dur-ing wastewater treatment using a single chamber microbial fuel cell[J].Environ Sci Technol，2004，38（7）：2281～2285

[2]崔龍濤，左劍惡，范明志.處理城市污水同時生成電能的微生物燃料電池[J].中國沼氣，2006，24（4）：3-5.

[3]BOOKI M，BRUCE E L.Continuous Electricity Generation fromDomestic Wastewater and Organic Substrates in a Flat Plate Mi-crobial Fuel Cell[J].Environ Sci Technol，2004，38，5809～5814.

[4]Freguia S，Rabaey K，Yuan Z G，et al.Sequential anodecathodeconfiguration improves cathodic oxygen reduction and effluentquality of microbial fuel cells[J].Water Res.，2008，42（6～7）：1387～1396.

[5]Clauwaert P.Rabaey K，Aelterman P， et al.Biological denitrifica-tion in microbial fuel cells[J].Environ.Sci.Technol，2007，41（9）：3354～3360.

[6]Puig S，Serra M，Coma M，Balaguer MD，Colprim J.Simultaneousdomestic wastewater treatment and renewable energy productionusing microbial fuel cells（MFCs）[J].Water Sci Technol 2011;64：904～9.

[7]Xie S，Liang P，Chen Y，et al Simultaneous carbon and nitrogen re-moval using an oxic/anoxic一biocathode microbial fuel cells cou-pled system[J].Bioresource Technology，2011，102（1）：348～354

[8]崔心水，趙劍強，薛騰，等微生物燃料電池同步硝化反硝化脫氮產(chǎn)電研究[J].應(yīng)用化工，2018，46（6）：1671-x3206.

[9]Nigussie A，Kuyper TW，Neergaard A.Agricultural waste utilisa-tion strategies and demand for urban waste compost：evidence fromsmallholder farmers in Ethiopia[J].Waste Manag，2015（44）：82～93.

[10]Maekawa T，Liao CM，F(xiàn)eng XD.Nitrogen and phosphorus re-moval for swine wastewater using intermittent aeration batch re-actor followed by ammonium crystallization process[J].WaterRes，1995（29）：2643～50.

[11]樊立萍，苗曉慧.微生物燃料電池處理餐飲廢水及同步發(fā)電性能研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報，2014，42（12）：1506～1512.

[12]王美聰，劉婷婷，張學(xué)軍，等.陽極改性對微生物燃料電他處理秸稈水解物性能影響[J].燃料化學(xué)學(xué)報，2017，45（9）：1146～1152.

[13]Min B，Kim J R，Oh SE，et al.Electricity generation from swinewastewater using microbial fuel cells[J].Water Research，2005，39（20）：4961～4968.

[14]Yokoyama H，Ohmori H，Ishida M，et al.Treatment of cow-waste slurry by a microbial fuel cell and the properties of thetreated slurry as a liquid manure[J].Animal Science Journal，2006，77（6）：634～638.

[15]Lu N，Zhou B，Deng LF，Zhou SG，Ni JR.Starch processingwastewater treatment using a continuous microbial fuel cell withMnO2 cathodic catalyst[J].J Basic Sci Eng，2009：17：65～73.

[16]PatilSA，SurakasiVP，Kou1S，etal.Electricity generation usingchocolate industry wastewater and its treatment In activatedsludge based microbial fuel cell and analysis of developed Micro-bial community in the an ode chamber[J].BioresourTechnol，2009，100（21）：5132～5139.

[17]溫青，吳英，王貴領(lǐng)，等.雙極室聯(lián)合處理啤酒廢水的微生物燃料電池[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報，2010，31（6）：1231～1234.

[18]蔡小波，楊毅，孫彥平，等.生物燃料電池利用甘薯燃料乙醇廢水產(chǎn)電的研究[J].環(huán)境科學(xué)，2010，31（10）：2512～2517.

[19]Cheng X，He L，Lu HW，Chen YW，Ren LX.Optimal water re-sources management and system benefifit for the Marcellusshale-gas reservoir in Pennsylvania and West Virginia[J].JHydrol，2016，540：412～22

[20]Kalathil S，Lee J，Cho MH.Granular activated carbon based mi-crobial fuel cell for L.He et al.Renewable and Sustainable Ener-gy Reviews 71（2017）388～403 401simultaneous decolorizationof real dye wastewater and electricity generation[J].New Bio-technol，2011，29：32～7

[21]SUNJ，HUYY，BIZ，et al.Simultaneous decolonzation of azo dyeand bioelectncity generation using a microfiltration membraneair-cathode single-chamber microbial fuel cell[J].BioresourceTechnology，2009，100（13）：3185～3192.

[22]LUOH，LIUG，ZHANGR，et al.Phenol degradationmmicrobialfuel cells[J].Chemical Engineenng journal，2009，147（2～3）：259～264

[23]Dong，Y，Qu，Y，He W，et al.A 90-liter stackable bafflfled micro-bial fuel cell for brewery wastewater treatment based on energyself-suffificient mode[J].Bioresour.Technol，2015（195）：66～72.

[24]唐發(fā)英.活性污泥法治理城市污水探析[J].綠色科技，2019（12）：100～101，104.

[25]高杰.微生物在污泥無害化處理中的應(yīng)用[J].綠色科技，2018（10）：117～118.

[26]王永京，林昌源，任連海，等.餐廚垃圾廢水制備液態(tài)固氮菌肥的培養(yǎng)特性研究[J].綠色科技，2018（8）：103～106.

[27]于望，蔣小友，吳軍.SBR工藝處理電鍍廢水的運行參數(shù)探討[J].綠色科技，2017（24）：52～55.

[28]呂俊鵬，付秋玥，魯斯唯，等.生物方法在水污染修復(fù)中的應(yīng)用研究[J].綠色科技，2016（4）：66～68.

[29]彭瑾.非生物強化技術(shù)在污水生物處理中的研究進(jìn)展[J].綠色科技，2018（10）：85～86，90.

收稿日期：2019-12-31

基金項目：國家重點研發(fā)項目（編號：2016YFC0400705）

作者簡介：張文莉（1995-），女，碩士研究生，研究方向為水污染控制。

通訊作者：李杰（1964-），男，博士，博導(dǎo)，教授，研究方向為水污染控制。