張佳瑤，廖承美，王 祺，王 鑫

（1.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2.北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司，北京 100015）

廚余垃圾是生活中常見的有機(jī)廢物，如果處理不當(dāng)將會(huì)嚴(yán)重威脅人類健康和生態(tài)環(huán)境安全〔1〕。近年來，以好氧消化為基礎(chǔ)的復(fù)合微生物液化廚余垃圾技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，該技術(shù)在常溫條件下利用復(fù)合微生物菌劑實(shí)現(xiàn)了8 h 內(nèi)對廚余垃圾的液化降解，降解率高達(dá)95%～98%，較傳統(tǒng)的廚余垃圾處理工藝提升了5 倍以上。但該技術(shù)產(chǎn)生的廚余垃圾液化液中含有大量有機(jī)物，不能滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中COD＜500 mg/L 的要求。因此，亟待開發(fā)快速高效的有機(jī)物降解和資源化處理技術(shù)。

隨著微生物電化學(xué)系統(tǒng)研究的成熟化，以微生物電解技術(shù)為代表的有機(jī)物降解及其資源化產(chǎn)氫技術(shù)已具備工業(yè)化的潛力〔2-3〕。該技術(shù)以污水中的有機(jī)碳源為電子供體，通過微小電壓輸入，可突破傳統(tǒng)發(fā)酵法生物制氫中1 mol 葡萄糖只產(chǎn)生4 mol 氫氣的瓶頸，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物礦化產(chǎn)氫的極限，氫氣產(chǎn)量接近12 mol，能量效率達(dá)到200%〔4〕。追溯該技術(shù)的發(fā)展，早在2011 年，R.D.CUSICK 等〔5〕以酒廠廢水中有機(jī)物作為底物連續(xù)運(yùn)行MEC，最終實(shí)現(xiàn)（62±20）%的SCOD 去除率和（0.19±0.04）L/（L·d）的氣體產(chǎn)率。相較而言，2012 年A.ESCAPA 等〔6〕使用的電極間距為5.7 mm 的單室MEC 具有更高的產(chǎn)氫速率，其處理生活污水產(chǎn)生的氫氣最高可達(dá)0.3 L/（L·d），且產(chǎn)生的氣體中97%為氫氣。但受限于反應(yīng)器裝置體積小，擴(kuò)大后性能下降，該技術(shù)并未得到廣泛的工程化應(yīng)用〔7〕。Shaoan CHENG 等〔8〕發(fā)現(xiàn)減小電極間距將大幅提高M(jìn)EC 的性能，當(dāng)MEC 反應(yīng)器中的電極間距從3.5 cm 減小到2 cm 時(shí)，在0.8 V的外加電壓下MEC 的產(chǎn)氫速率由5 m3/（m3·d）提升到了13 m3/（m3·d）。Dawei LIANG 等〔9〕也發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)陰陽極的電極間距，MEC 的溶液內(nèi)阻、極化電阻下降了33%以上，反應(yīng)器的氫氣產(chǎn)率提高至5.56 L/（L·d）。

MEC 的電極布置對污染物降解和產(chǎn)氫效能至關(guān)重要，減小電極間距是最直接的降低內(nèi)阻、提升性能的方法〔10〕。但如果電極之間的間距過小，陰陽兩極之間存在微短路的現(xiàn)象，反應(yīng)器的產(chǎn)氫性能降低?！瓣帢O-隔膜-陽極”平行堆疊的緊湊堆棧式電極結(jié)構(gòu)可以在減少電極間距的同時(shí)避免這種現(xiàn)象〔11〕，目前該結(jié)構(gòu)已成功運(yùn)用于擴(kuò)大化MEC 反應(yīng)器對廢水的處理中，極具應(yīng)用前景〔12〕。而MEC 的陽極作為生物膜的形成場所，使用不同的陽極材料會(huì)對微生物的富集、有機(jī)物的降解、電流密度等產(chǎn)生重要影響，孔隙多和厚度較大的材料（如碳?xì)郑┠茉黾痈患漠a(chǎn)電微生物量，但也會(huì)對反應(yīng)器中的傳質(zhì)過程產(chǎn)生影響。目前，關(guān)于堆棧式反應(yīng)器陽極材料選擇的相關(guān)研究很少。因此，本研究考察了不同陽極材料對堆棧式MEC 反應(yīng)器電化學(xué)性能以及降解有機(jī)物產(chǎn)氫效率的影響，并且通過改變輔助電壓和增加溶液擾動(dòng)的方式來優(yōu)化反應(yīng)器的性能，最終以垃圾液化液為目標(biāo)廢水，探究經(jīng)過馴化后的堆棧式MEC反應(yīng)器處理廚余垃圾液化液及產(chǎn)氫的效能。

1 材料與方法

1.1 廚余垃圾液化液的特征

廚余垃圾液化液由河北環(huán)境工程學(xué)院研發(fā)的廚余垃圾處理機(jī)產(chǎn)生，呈無色透明狀，有異味，含有少量食物殘?jiān)?。按照?biāo)準(zhǔn)方法對主要水質(zhì)特征分析后可知，廚余垃圾液化液呈酸性（pH=4.3），電導(dǎo)率為1 345 μS/cm，含有較高的COD（1 448 mg/L），BOD 高達(dá)445 mg/L，具有很高的可生化性（BOD/COD＞0.3）。

1.2 MEC 反應(yīng)器的構(gòu)建

設(shè)計(jì)可放大MEC 反應(yīng)器用于處理廚余垃圾液化液并資源化產(chǎn)氫，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 反應(yīng)器構(gòu)型（a）以及使用碳?xì)值腗EC 反應(yīng)器側(cè)視圖（b）Fig.1 Reactor configuration（a）and side view of MEC using carbon felt（b）

由圖1（a）看，反應(yīng)器主體為15 cm×10 cm×10 cm的長方體，材質(zhì)為亞克力，頂部設(shè)有陰陽極導(dǎo)出孔、實(shí)驗(yàn)備用孔（曝氣、換水、電化學(xué)分析時(shí)放置Ag/AgCl 參比電極）和集氣孔。在反應(yīng)器兩側(cè)分別設(shè)置進(jìn)出水口，進(jìn)水孔在下，出水孔在上，進(jìn)水口后布置了塑料培菌網(wǎng)用于分散水流，實(shí)現(xiàn)循環(huán)布水以保障電解液均勻。MEC電極為堆疊排布的8 組陰陽極，每組陰陽極分別以鈦絲作電子收集器連接在一起并導(dǎo)出到外電路。陽極采用“不銹鋼網(wǎng)-陽極材料-不銹鋼網(wǎng)”的夾心模式，陰極為單個(gè)不銹鋼網(wǎng)，陰陽極間設(shè)置2 塊塑料隔板防止接觸性短路。反應(yīng)器中陽極材料、不銹鋼網(wǎng)和塑料隔板的尺寸均為100 mm×90 mm，塑料培菌網(wǎng)的尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置碳布、2 mm 碳?xì)趾? mm 碳?xì)? 種不同的陽極材料來探究MEC 處理污水并產(chǎn)氫的性能，其中碳布MEC1 和2 mm 碳?xì)諱EC2反應(yīng)器均內(nèi)含5 塊培菌網(wǎng)，而由于厚度原因，5 mm 碳?xì)諱EC3 反應(yīng)器內(nèi)含2 塊培菌網(wǎng)〔圖1（b）〕。反應(yīng)器頂空留有儲氣層，MEC1、MEC2、MEC3 的有效溶液體積均為1.2 L。

1.3 MEC 反應(yīng)器的啟動(dòng)、運(yùn)行和馴化

反應(yīng)器組裝前依次用丙酮、無水乙醇、蒸餾水清洗陽極材料，并于450 ℃高溫處理30 min，以去除材料生產(chǎn)過程中殘留的有機(jī)污染物和提高陽極材料的電化學(xué)性能〔13〕。為了加快MEC 反應(yīng)器的啟動(dòng)，接種源選自實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定運(yùn)行2 a 以上的MFC 出水，以500 mmol/L 磷酸鹽緩沖溶液（PBS）混合稀釋10 倍后進(jìn)行接種。以實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的多通道自供電電流采集器記錄系統(tǒng)電流數(shù)據(jù)。啟動(dòng)時(shí)設(shè)置外源電壓0.7 V、外接電阻10 Ω，當(dāng)3 個(gè)MEC 電流穩(wěn)定輸出時(shí)即認(rèn)為MEC 啟動(dòng)完成。啟動(dòng)后的MEC 反應(yīng)器以0.7 V 外源電壓、2 Ω 外接電阻運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)的輸出電流低于20 A/m3時(shí)，及時(shí)更換陽極電解液，為整個(gè)系統(tǒng)提供充足的電子驅(qū)動(dòng)力。陽極電解液中包含50 mmol/L PBS、12.5 mL/L 微量金屬溶液、5 mL/L 維生素溶液和1 g/L 乙酸鈉。每次換液時(shí)均用N2/CO2（體積比為4∶1）連續(xù)曝氣20 min，以除去系統(tǒng)中的O2。反應(yīng)器均在（25±2）℃恒溫室內(nèi)運(yùn)行。

以1 g/L 乙酸鈉為底物，比較使用3 種不同陽極材料的反應(yīng)器MEC1、MEC2 和MEC3 降解乙酸鈉產(chǎn)氫的性能，然后將較優(yōu)的反應(yīng)器依次施加0.5、0.6、0.7 V 的輔助電壓，比較其在不同輔助電壓下的性能。在選取了較優(yōu)的電壓條件后，使用循環(huán)量為10 mL/min 的自吸泵（CKP，卡默爾）對MEC 反應(yīng)器內(nèi)溶液進(jìn)行強(qiáng)制內(nèi)循環(huán)擾動(dòng)，以增強(qiáng)其傳質(zhì)效率，提升MEC 性能。優(yōu)化后的MEC反應(yīng)器被用作廚余垃圾液化液的降解實(shí)驗(yàn)。使用循環(huán)水式多用真空泵（SHB-Ⅲ，鄭州長城）對廚余垃圾液化液進(jìn)行抽濾，以除去其中的食物殘?jiān)?。用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH 至7.0 左右以適應(yīng)微生物。用PBS 將廚余垃圾液化液原液分別稀釋至25%和50%，并保證PBS的最終濃度為50 mmol/L，添加12.5 mL/L 微量金屬溶液和5 mL/L 維生素溶液供給微生物生長繁殖。為了加快MEC 的啟動(dòng)，反應(yīng)器中同時(shí)加入乙酸鈉并以1、0.5 g/L 梯度遞減的模式馴化陽極生物膜，直至微生物電解池中形成穩(wěn)定的產(chǎn)電生物膜。

1.4 電化學(xué)性能測試

采用本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的可變電壓式無線互聯(lián)網(wǎng)電信號采集板為MEC 反應(yīng)器提供外加電壓，并實(shí)時(shí)采集反應(yīng)器的電流信息。為了分別測試陰陽極的電化學(xué)性能，引入Ag/AgCl（4.0 mol/L KCl，0.201 V vs.SHE）參比電極組成三電極體系，運(yùn)用Autolab 電化學(xué)工作站進(jìn)行原位測試。循環(huán)伏安特性曲線（CV）是最常用的表征電化學(xué)性能的方法，其掃描均在碳源充足的條件下進(jìn)行，電勢范圍為-0.6～0.2 V，掃描速率為1 mV/s，靜置時(shí)間為300 s。為便于比較，通過公式I=i/V將電流轉(zhuǎn)換為體積電流密度，其中，I為體積電流密度，A/m3；i為電流，A；V為反應(yīng)器體積，0.001 2 m3。

1.5 有機(jī)物降解和產(chǎn)氣速率的測定

MEC 反應(yīng)器進(jìn)、出水的COD 采用《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鉀法》（GB 11914—89）測試。MEC 反應(yīng)器產(chǎn)生的氣體由氣袋收集，通過注射器測定體積。氣體成分由氣相色譜儀（GC9790Ⅱ，浙江福立）測定，載氣為N2，進(jìn)樣器溫度為100 ℃，柱箱溫度為50 ℃，TCD 檢測器溫度為105 ℃，檢測器電流為50 mA，輔助爐溫度為50 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同陽極材料對MEC 性能的影響

碳布〔14〕、碳?xì)帧?5〕等都可以作為微生物電解池的陽極材料，但由于碳布和不同厚度的碳?xì)值男螒B(tài)、體積都有所不同，因此分析陽極材料的性能參數(shù)十分重要。3 種陽極材料的性能參數(shù)見表1。

表1 MEC1、MEC2、MEC3 的陽極材料性能參數(shù)Table 1 Electrode material performance parameters of MEC1，MEC2 and MEC3

由表1 可知，3 種陽極材料中，5 mm 碳?xì)值谋缺砻娣e和在反應(yīng)器中占據(jù)的總體積均最大，分別為15.2 m2/g 和360 cm3，分 別 是2 mm 碳 氈 的1.4 倍 和2.5倍。而碳布的比表面積和占據(jù)的總體積最小，分別僅為5.2 m2/g 和36 cm3。

不同陽極材料對MEC 性能的影響見圖2。

由圖2（a）可知，不同陽極材料下，MEC 均成功啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行。在0.7 V 外源電壓〔即兩極電壓為（0.5±0.02）V〕、2 Ω 外接電阻的條件下運(yùn)行時(shí)，MEC1和MEC2 的 最 大 電 流 密 度 分 別 達(dá)（84±3）A/m3和（83±2）A/m3，較MEC3的（62±1）A/m3分別提升了34%和33%。原因可能是MEC3中陽極材料體積過大造成溶液中傳質(zhì)受限，反應(yīng)器的傳質(zhì)阻力和內(nèi)阻增大，體系電流密度降低。另外，MEC3 電流密度降低到20 A/m3所需的時(shí)間為（36±1）h，與MEC2〔（46±1）h〕和MEC1〔（56±1）h〕相比，完成一個(gè)周期所需的時(shí)間最短。

圖2 不同陽極材料對MEC 性能的影響Fig.2 The effects of different anode materials on the performance of MEC reactor

為進(jìn)一步分析不同陽極材料對MEC 產(chǎn)電性能的影響，在完成啟動(dòng)后的第2 個(gè)周期對馴化成熟的MEC 陽極生物膜進(jìn)行原位CV 測試，結(jié)果見圖2（b）。不同陽極材料的CV 曲線在-0.6～0.2 V 的電位范圍內(nèi)均呈現(xiàn)出相似的“S”型催化峰，同時(shí)MEC1 獲得了最大的極限電流密度（425±42）A/m3，比MEC2 的極限電流密度〔（288±32）A/m3〕和MEC3 的極限電流密度〔（144±30）A/m3〕分別高出了48%和195%，表明MEC1 反應(yīng)器中的產(chǎn)電微生物的電化學(xué)活性更高，與電流密度曲線〔圖2（a）〕相吻合。對CV 曲線一階求導(dǎo)得到DCV 曲線，不同陽極材料在DCV 曲線中均呈現(xiàn)1 對主峰〔圖2（b）〕，碳?xì)址磻?yīng)器MEC2 和MEC3 的中點(diǎn)電位〔（-0.41±0.01）V〕一致，而碳布反應(yīng)器MEC1 的中點(diǎn)電位〔（-0.35±0.01）V〕明顯正移，表明生長于碳?xì)趾吞疾嫉漠a(chǎn)電菌的氧化還原性物質(zhì)有所差異或電子傳遞途徑發(fā)生了改變。

由圖2（c）可知，隨著陽極材料比表面積和體積的增大，堆棧式MEC 反應(yīng)器降解乙酸鈉的速度和降解程度不斷提高。在周期結(jié)束時(shí)，MEC3 的COD 從最初的（695±4）mg/L 降到了（52±12）mg/L，去除率高達(dá)（92±1）%，較MEC2 的（84±2）%和MEC1 的（80±1）%分別提升了10%和15%。

同樣，陽極材料的比表面積和體積對堆棧式MEC反應(yīng)器產(chǎn)氫性能的影響也十分顯著。圖2（d）顯示MEC3 的產(chǎn)氣速率最高〔（149±25）mL/（L·d）〕，氫氣占（43±4）%。MEC2的產(chǎn)氣速率為（101±11）mL/（L·d），氫氣占（27±3）%。而MEC1 由于其陽極材料碳布具有最低的比表面積和總體積，產(chǎn)生氣體的速率最低，僅為（61±9）mL/（L·d），氫氣僅占（15±1）%。顯然，MEC3的產(chǎn)氫性能在3 個(gè)反應(yīng)器中最佳，產(chǎn)氫速率可達(dá)（65±12）mL/（L·d），分別是MEC1〔（9±2）mL/（L·d）〕和MEC2〔（28±9）mL/（L·d）〕的7.2和2.3倍。推斷由于碳?xì)植牧暇哂休^大的比表面積和體積，可富集更多的產(chǎn)電微生物，因此使用碳?xì)肿麝枠O材料在降解乙酸鈉產(chǎn)氫上較碳布有明顯的優(yōu)勢，且反應(yīng)器降解乙酸鈉產(chǎn)氫的性能會(huì)隨著材料比表面積和體積的增加而提升。這與D.CALL等〔16〕得到的研究結(jié)果一致，采用具有孔隙多和比表面積大的材料可以增加富集的產(chǎn)電微生物的量，從而利于陽極反應(yīng)的進(jìn)行。

2.2 不同輔助電壓對MEC 性能的影響

輔助電壓是影響MEC 性能的重要因素之一，不同的輔助電壓會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器有不同的電流密度、COD 去除效率、產(chǎn)氣性能等〔17〕。不同輔助電壓對MEC3 性能的影響見圖3。

圖3 不同輔助電壓對MEC 性能的影響Fig.3 The effects of different auxiliary voltages on the performance of MEC reactor

圖3（a）中，當(dāng)兩極電壓為（0.70±0.02）V 時(shí)，MEC3的最大電流密度為（328±5）A/m3，較（0.60±0.02）V 時(shí)的最大電流密度〔（216±2）A/m3〕和（0.50±0.02）V 時(shí)的最大電流密度〔（63±1）A/m3〕分別提升了0.5 和4.2 倍。

為進(jìn)一步分析不同輔助電壓對MEC 產(chǎn)電性能的影響，在改變電壓后的第2 個(gè)周期對MEC3 陽極生物膜的CV 曲線和DCV 曲線進(jìn)行分析測試〔圖3（b）〕。隨著反應(yīng)器兩極電壓的升高，CV 曲線中的極限電流密度也隨之升高。在兩極電壓為（0.70±0.02）V 時(shí)，極限電流密度達(dá)到了（353±33）A/m3，比（0.60±0.02）V 下的極限電流密度〔（297±17）A/m3〕和（0.50±0.02）V 下的極限電流密度〔（144±30）A/m3〕分別高出了19%和145%，此時(shí)MEC3 反應(yīng)器中的產(chǎn)電微生物具有更高的電化學(xué)活性。隨著輔助電壓的升高，DCV 的中點(diǎn)電位逐漸正移，這同樣表明在不同的輔助電壓下微生物群落中的產(chǎn)電菌采取了不同的代謝途徑，使得主導(dǎo)電子傳遞的胞外細(xì)胞色素也相應(yīng)發(fā)生了改變，最終導(dǎo)致了反應(yīng)器電化學(xué)性能的改變。

由圖3（c）可知，隨著輔助電壓的升高，堆棧式MEC 反應(yīng)器降解有機(jī)物的速度和降解程度不斷提高。（0.50±0.02）V 時(shí)MEC3需要34h才能去除（92±1）%的COD，（0.60±0.02）V 時(shí)MEC3 需 要19 h才能去除（89±2）%的COD。當(dāng)兩極電壓最高為（0.70±0.02）V 時(shí)，MEC3僅在14h內(nèi)就可以去除（88±3）%的COD，此時(shí)MEC3 降解COD 的速率達(dá)到了（45±1）mg/（L·h），較（0.60±0.02）V 時(shí)的降解速率〔（33±0）mg/（L·h）〕和（0.50±0.02）V 時(shí)的降解速率〔（19±1）mg/（L·h）〕分別提升了0.4 和1.4 倍。

輔助電壓與反應(yīng)器的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氫速率呈正相關(guān)的關(guān)系。圖3（d）中，在（0.70±0.02）V 的兩極電壓下，MEC3的產(chǎn)氣速率最高，為（993±35）mL/（L·d），且99.9%為 氫氣；（0.60±0.02）V 時(shí)MEC3的產(chǎn)氣速率為（524±31）mL/（L·d），氫氣占（80±7）%；（0.50±0.02）V時(shí)MEC3 的產(chǎn)氣速率為（149±25）mL/（L·d），氫氣占（43±4）%。顯然，在兩極電壓最大為（0.70±0.02）V 時(shí)，MEC3 的產(chǎn)氫速率最快，可達(dá)（992±35）mL/（L·d），較（0.60±0.02）V 時(shí)的產(chǎn)氫速率〔（418±60）mL/（L·d）〕和（0.50±0.02）V 時(shí)的產(chǎn)氫速率〔（65±12）mL/（L·d）〕分別提升了1.4 和14.3 倍。

2.3 增加溶液擾動(dòng)對MEC 性能的影響

為減弱堆棧式結(jié)構(gòu)中較大體積的陽極材料對基質(zhì)擴(kuò)散的影響〔18〕，使用循環(huán)量為10 mL/min 的自吸泵對MEC3 反應(yīng)器內(nèi)溶液進(jìn)行強(qiáng)制溶液內(nèi)循環(huán)，結(jié)果見圖4。

圖4 增加溶液擾動(dòng)對MEC 性能的影響Fig.4 The effects of adding solution disturbance on the performance of MEC reactor

圖4（a）中，MEC3 在增加溶液擾動(dòng)后的最大電流密度〔（351±4）A/m3〕和未增加擾動(dòng)時(shí)的最大電流密度〔（328±5）A/m3〕相比變化不大，表明增加溶液擾動(dòng)對MEC3 的最大電流密度影響較小。但在未增加溶液擾動(dòng)的情況下，電流會(huì)有一個(gè)先升高后降低的過程，而在增加溶液擾動(dòng)后電流會(huì)直接從最高處開始降低，可以認(rèn)為增加溶液擾動(dòng)能夠使反應(yīng)器中的傳質(zhì)更加順利，產(chǎn)電微生物可快速達(dá)到最佳狀態(tài)。

為進(jìn)一步分析增加溶液擾動(dòng)對MEC 產(chǎn)電性能的影響，在增加溶液擾動(dòng)后的第2 個(gè)周期對MEC 陽極生物膜的CV 曲線和DCV 曲線進(jìn)行分析測試。在圖4（b）中，CV 曲線中的極限電流密度在增加溶液擾動(dòng)后有了顯著的升高，從（353±33）A/m3提高到了（458±42）A/m3，增加溶液擾動(dòng)后MEC3 中的產(chǎn)電微生物具有了更高的電化學(xué)活性。而從DCV 曲線中可以看到，增加溶液擾動(dòng)對氧化還原峰和中點(diǎn)電位的影響不大，二者的中點(diǎn)電位均為（-0.34±0.01）V，表明增加溶液擾動(dòng)并不會(huì)影響產(chǎn)電菌的代謝途徑，產(chǎn)電菌電化學(xué)活性的改變是由增加溶液擾動(dòng)后傳質(zhì)過程發(fā)生改變導(dǎo)致的。

由圖4（c）可知，增加溶液擾動(dòng)能夠提高M(jìn)EC3降解乙酸鈉產(chǎn)氫的效率。增加溶液擾動(dòng)后MEC3 能夠在13 h 內(nèi)去除（96±2）%的COD，COD 降解速率達(dá)到（52±1）mg/（L·h），是未增加溶液擾動(dòng)時(shí)COD 降解速率〔（45±1）mg/（L·h）〕的1.2 倍。

增加溶液擾動(dòng)后MEC3 的產(chǎn)氣速率比未增加溶液擾動(dòng)時(shí)增加了21%，從（993±35）mL/（L·d）提高到了（1 226±72）mL/（L·d），其中99.9%為氫氣〔圖4（d）〕。結(jié)果表明，增加溶液擾動(dòng)可明顯提高堆棧式結(jié)構(gòu)反應(yīng)器的傳質(zhì)效率和氫氣產(chǎn)率，有利于優(yōu)化堆棧式MEC 反應(yīng)器的產(chǎn)氫性能。

2.4 MEC 反應(yīng)器處理廚余垃圾液化液

MEC 反應(yīng)器處理廚余垃圾液化液的性能結(jié)果見圖5。

圖5 MEC 反應(yīng)器處理廚余垃圾液化液性能Fig.5 Performance of MEC reactor treating kitchen waste liquid liquefaction

經(jīng)馴化后，MEC3 在最優(yōu)電位（0.70±0.02）V 以及增加強(qiáng)制內(nèi)循環(huán)的條件下穩(wěn)定運(yùn)行，最高電流密度為（211±6）A/m3，比相同條件下處理乙酸鈉時(shí)的最高電流密度〔（351±4）A/m3〕降低了40%，表明廚余垃圾液化液對堆棧式MEC 反應(yīng)器的微生物有著輕微的毒害作用，會(huì)降低MEC反應(yīng)器中產(chǎn)電微生物的電化學(xué)活性。在對廚余垃圾液化液進(jìn)行前處理后，MEC3能在10 h內(nèi)將COD 從（1 181±4）mg/L 降至（500±5）mg/L，并在20 h內(nèi)降解（75±1）%的COD，達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）的要求。處理過程中，MEC3 一共產(chǎn)生了（235±9）mL/L的氣體，其中含（57±4）%的氫氣、（18±5）%的甲烷和（7±2）%的二氧化碳，產(chǎn)氫速率為（161±6）mL/（L·d）。以上結(jié)果表明，堆棧式MEC 反應(yīng)器能夠?qū)?jīng)過前處理的廚余垃圾液化液進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)對廚余垃圾液化液的資源化產(chǎn)氫。

3 結(jié)論

（1）在堆棧式MEC 反應(yīng)器中，由于碳?xì)植牧陷^高的比表面積和較大的體積能夠富集更多的產(chǎn)電微生物，其在降解乙酸鈉產(chǎn)氫上較碳布材料有明顯的優(yōu)勢，并且反應(yīng)器性能會(huì)隨著陽極材料比表面積和體積的增加而提升，在（0.5±0.02）V 的兩極電壓下，5 mm 碳?xì)址磻?yīng)器能夠在36 h 內(nèi)去除（92±1）%的COD，產(chǎn)氫速率可達(dá)到（65±12）mL/（L·d）。

（2）增大輔助電壓和增加溶液擾動(dòng)可進(jìn)一步優(yōu)化堆棧式MEC 反應(yīng)器的電化學(xué)性能以及降解乙酸鈉產(chǎn)氫的性能，在（0.70±0.02）V 的兩極電壓下，5 mm 碳?xì)址磻?yīng)器能在14 h 內(nèi)去除（88±3）%的COD，產(chǎn)氫速率達(dá)（992±35）mL/（L·d）；在增加溶液擾動(dòng)后，5 mm 碳?xì)址磻?yīng)器能在13 h 內(nèi)去除（96±2）%的COD，產(chǎn)氫速率增加至（1 225±72）mL/（L·d）。

（3）經(jīng)過馴化后的堆棧式MEC 反應(yīng)器能夠在10 h 內(nèi)將廚余垃圾液化液的COD 從（1 181±4）mg/L降至（500±5）mg/L，并且以（161±6）mL/（L·d）的速率產(chǎn)生氫氣，具有良好的應(yīng)用前景。