微生物燃料電池與汙水處理工藝結合應用

針對目前 MFC 在汙水處理工藝中的應用，分析了 MFC 技術與汙水生物處理工藝結合的工作原理，重點介紹了MFC技術與幾種不同水處理工藝的結合應用，並指出影響此類結合工藝性能的主要因素有水處理模式、產電穩定性（包括電極生物膜
、汙水性質）等，認為目前將 2 種工藝結合仍然麵臨MFC 發展係統輸出電壓和產電功率仍較低的技術瓶頸，但技術的成熟和成本的降低，將在廢物重複利用和能源再生方麵發揮越來越重要的作用。

近十年來，國內外學者圍繞如何提高微生物燃料電池（MFC）的產電性能開展了多方麵的基礎性研究，如關於電極材料的種類及性質、膜構件特性
、底物能量轉化
、反應運行條件、微生物種類及代謝途徑等

，並取得了一些重要成果和技術突破。但目前MFC技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)的(de)瓶(ping)頸(jing)仍(reng)是(shi)其(qi)產(chan)電(dian)能(neng)力(li)較(jiao)低(di)，其(qi)中(zhong)最(zui)主(zhu)要(yao)的(de)障(zhang)礙(ai)是(shi)分(fen)離(li)轉(zhuan)化(hua)電(dian)子(zi)的(de)速(su)度(du)太(tai)慢(man)而(er)不(bu)能(neng)供(gong)應(ying)實(shi)際(ji)需(xu)要(yao)的(de)電(dian)流(liu)量(liang)。因(yin)此(ci)
，相(xiang)對(dui)於(yu)產(chan)電(dian)能(neng)力(li)，利(li)用(yong)其能降解有機物的特性而在汙水處理方麵的應用則更易實現，也是最有可能被大規模應用的領域。目前有一些關於MFC與汙水處理工藝結合的報道
，對於較低產電水平下汙染物的去除是它們研究的重點。理論lun上shang
，這zhe類lei結jie合he工gong藝yi是shi可ke以yi通tong過guo各ge類lei微wei生sheng物wu作zuo用yong實shi現xian有you機ji物wu去qu除chu以yi及ji生sheng物wu脫tuo氮dan的de，因yin此ci越yue來lai越yue多duo的de研yan究jiu者zhe正zheng試shi圖tu探tan索suo新xin的de工gong藝yi
，旨zhi在zai保bao證zheng電能輸出的同時，又加強汙水處理效果。

厭氧生物處理與 MFC 技術:原理上，MFC 的陽極是在厭氧條件下，微生物代謝產生的電子受體由一般可溶性受體，如硫酸鹽
、硝酸鹽等轉變為電極材料石墨或碳載鉑等不溶性受體，從而形成了MFC特(te)殊(shu)的(de)電(dian)子(zi)傳(chuan)遞(di)途(tu)徑(jing)，即(ji)有(you)機(ji)物(wu)在(zai)厭(yan)氧(yang)條(tiao)件(jian)下(xia)被(bei)降(jiang)解(jie)的(de)同(tong)時(shi)產(chan)生(sheng)了(le)電(dian)流(liu)。這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)與(yu)單(dan)純(chun)的(de)厭(yan)氧(yang)消(xiao)化(hua)不(bu)同(tong)
，厭(yan)氧(yang)消(xiao)化(hua)是(shi)在(zai)無(wu)氧(yang)條(tiao)件(jian)下(xia)，通(tong)過(guo)厭(yan)氧(yang)或(huo)兼(jian)氧(yang)微(wei)生(sheng)物(wu)作(zuo)用(yong)，將(jiang)汙(wu)水(shui)中(zhong)的(de)複(fu)雜(za)有(you)機(ji)物(wu)分(fen)解(jie)轉(zhuan)化(hua)成(cheng)甲(jia)烷(wan)和(he)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)等(deng)物(wu)質(zhi)的(de)過(guo)程(cheng)。所(suo)不(bu)同(tong)的(de)是(shi)MFC應(ying)用(yong)於(yu)厭(yan)氧(yang)生(sheng)物(wu)處(chu)理(li)中(zhong)，對(dui)產(chan)電(dian)菌(jun)以(yi)及(ji)其(qi)他(ta)多(duo)種(zhong)功(gong)能(neng)菌(jun)的(de)協(xie)同(tong)作(zuo)用(yong)要(yao)求(qiu)更(geng)高(gao)
，同(tong)時(shi)對(dui)各(ge)種(zhong)細(xi)菌(jun)的(de)生(sheng)態(tai)位(wei)分(fen)配(pei)也(ye)是(shi)該(gai)係(xi)統(tong)是(shi)否(fou)能(neng)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)的(de)重(zhong)要(yao)前(qian)提(ti)。因(yin)此(ci),MFC可有效去除汙水中的含碳有機物，其相比於傳統厭氧消化工藝的優勢在於：1）有機物除了供微生物厭氧呼吸外，還多了轉化成電能的部分，從而提高了降解效率；2）可導電的陽極（各種碳素材料）促進了溶液中電子的定向傳遞，從而加快了係統反應，縮短了有機物降解的時間。1.2 好氧生物處理與MFC技術從MFC的(de)結(jie)構(gou)上(shang)分(fen)析(xi)，無(wu)論(lun)是(shi)單(dan)室(shi)還(hai)是(shi)雙(shuang)室(shi)
，其(qi)陰(yin)極(ji)區(qu)都(dou)是(shi)耗(hao)氧(yang)的(de)
，氧(yang)氣(qi)是(shi)整(zheng)個(ge)體(ti)係(xi)的(de)最(zui)終(zhong)電(dian)子(zi)受(shou)體(ti)
，隻(zhi)不(bu)過(guo)氧(yang)沒(mei)有(you)直(zhi)接(jie)用(yong)於(yu)微(wei)生(sheng)物(wu)的(de)呼(hu)吸(xi)。這(zhe)為(wei)該(gai)技(ji)術(shu)應(ying)用(yong)於(yu)好(hao)氧(yang)生(sheng)物(wu)處(chu)理(li)提(ti)供(gong)了(le)思(si)路(lu)。從(cong)理(li)論(lun)上(shang)講(jiang)，隻(zhi)要(yao)陰(yin)極(ji)區(qu)能(neng)充(chong)分(fen)供(gong)氧(yang)，使(shi)好(hao)氧(yang)微(wei)生(sheng)物(wu)得(de)以(yi)大(da)量(liang)繁(fan)殖(zhi)，並(bing)利(li)用(yong)它(ta)們(men)的(de)呼(hu)吸(xi)將(jiang)汙(wu)水(shui)中(zhong)的(de)有(you)機(ji)物(wu)氧(yang)化(hua)為(wei)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)、水以及硝酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽等物質
，同樣可以使水體得到淨化。綜合整個電池反應來看，MFC的陽極和陰極分別是在厭氧條件下發生的氧化反應和好氧條件下發生的還原反應。因此，這種複合體係為MFC技術引入到汙水厭（缺）氧 /好氧生物處理工藝中提供了可能。

升流式厭氧汙泥床與MFC結合：構建一種基於升流式厭氧汙泥床（UASB）的微生物燃料電池
，其在雙室 MFC 的基礎上將陽極區改造成 UASB，陽極室在進液口上麵安置 1個布水器使進液分布均勻，同時陽極室上部裝有 1個氣液分離器，而陰極室為無蓋設計，使其暴露於空氣中。

該係統中 COD 的去除必須以保證陽極產甲烷菌良好的生長條件（溫度 30 ℃
，PH=7.0，以及營養條件等）為前提，而產電能力（以庫倫效率計）雖占係統比重不大（這與係統的設計規模、HRT、電極材料
、進液方式等多方麵因素有關），但這無疑是種大膽的嚐試。

值得注意的是
，HRT 和進樣模式是決定本係統運行效果的一個重要因素，係統在連續進液模式下能夠產生穩定的能量輸出。這種進樣方式突破了目前大多數MFC采(cai)取(qu)的(de)序(xu)批(pi)式(shi)進(jin)樣(yang)模(mo)式(shi)，序(xu)批(pi)式(shi)進(jin)樣(yang)雖(sui)然(ran)能(neng)使(shi)間(jian)歇(xie)放(fang)電(dian)方(fang)式(shi)釋(shi)放(fang)的(de)總(zong)電(dian)能(neng)比(bi)連(lian)續(xu)放(fang)電(dian)釋(shi)放(fang)的(de)總(zong)電(dian)能(neng)高(gao)
，但(dan)連(lian)續(xu)進(jin)樣(yang)方(fang)式(shi)卻(que)克(ke)服(fu)了(le)間(jian)歇(xie)放(fang)電(dian)無(wu)法(fa)保(bao)持(chi)電(dian)壓(ya)穩(wen)定(ding)的(de)問(wen)題(ti)。

該係統適用於生活汙水以及有機物含量較高的工業廢水，不適用於含重金屬、酚類、氰化物、硝酸鹽等性質的廢水。

厭氧流化床與 MFC 結合：目前，厭氧流化床（AFB）與 MFC 結合是研究較多的一種工藝，也是最有希望開發和創新的技術，雖然當前的研究基本上還處於實驗室階段，但其勢必將為 MFC 在汙水處理資源化領域中開辟一條新的途徑。

該AFB-MFC係統的有機物去除率較高
，但產電對有機物去除的貢獻仍然較低，研究人員用庫侖效率對產電的貢獻加以表征
，發現其庫侖效率低於2.0%。原因可能是：1）係統無質子交換膜，使氧氣透過率較高，破壞了陽極厭氧環境；2）AFBliusuhexitongneizuzhijiancunzaiyidingguanxi，dangliusuguodashi，shengwukelirongyibeichongsan，tongshishiyangjishengwumoshengchanghetuoluochuyubupinghengzhuangtai，congerdaozhineizuzengda
，zuizhongyingxiangxitongdediannengshuchu。yinci

，gaizhuangzhizaijiegouheyunxingmoshishangrengxujinyibugaijin。

除此之外，還分別研究了影響 AFB-MFC 係統脫氮及產電性能的因素。分別對進水的基質、硝態氮、亞硝態氮
、氨氮含量以及碳氮負荷（C/N）和去除率進行了考察。結果發現
，AFB-MFC 能實現畜禽廢水的脫氮，但條件要求比較苛刻
，不是任何有機物廢水都適用
，因為基質含量、C/N 以及電子供體的存在與含量是影響係統脫氮和產電的重要因素。

氧化溝與 MFC 結合：氧yang化hua溝gou是shi一yi種zhong由you連lian續xu環huan式shi反fan應ying池chi構gou成cheng的de簡jian易yi廢fei水shui處chu理li設she施shi
，是shi活huo性xing汙wu泥ni法fa生sheng化hua池chi的de一yi種zhong變bian型xing。其qi特te點dian是shi廢fei水shui在zai溝gou內nei不bu斷duan地di循xun環huan流liu動dong，在zai溝gou內nei不bu同tong階jie段duan形xing成cheng厭yan氧yang
、缺氧和好氧段。因此氧化溝能夠同時提供微生物燃料電池所需要的好氧和厭氧環境。

其對比研究了該結合工藝與傳統氧化溝工藝的汙水處理效果及產電能力
，結果顯示
，結合工藝的TN去除率和COD 去除率與傳統氧化溝接近，但其除了能輸出電能外（平均輸出電壓約0.29V
，產電功率均值 0.08 mW）
，最大的特點是其內外溝中汙泥增加量比傳統氧化溝減少了近 15% 。因此該工藝與傳統氧化溝相比，在汙泥減量化方麵具備明顯的優勢。

水處理模式：處理係統多為開放式，一定程度上會影響電極上膜微生物的生長，從而導致生物膜生長、富集較慢；且水體動力變化可能會擾亂電子流方向
，影響電極間的物質傳遞，最終影響電能輸出。

此外
，每種水處理工藝本身都不是絕對完美的。以AFB為例：1）要維持良好的流化態和生物膜顆粒的均勻性難度較大
；2） 在流化狀態下
，MFC陽極難以保持穩定的電子流和膜的穩定
；3）三相分離中固液分離較為困難

，難以達到較高的運行水平。以升流式厭氧汙泥床（U

ASB）為例：1）進水中懸浮物含量不能過高，一般要求質量濃度低於 100 mg/L；2）床內一旦出現短流現象
，會影響係統處理能力；3）係統對水質和負荷變化敏感
，抗衝擊能力稍差等。因此，要將水處理工藝與MFC結合，裝置的特性必須是2種反應器的某些特性的綜合
，這使得在該類反應器的結構設計上就有某些特殊要求。結合工藝的基本構型通常由MFC反應器的構型來決定，若MFC 是單室結構（隻有陽極室，而陰極為直接空氣陰極），則水處理工藝通常隻能是厭氧模式

，若MFC是雙室結構（陽極室，陰極室均有）
，則可考慮進行厭、好氧水處理模式。

電極生物膜：dianjishengwumozaishuichuliqizhongshifoushiying，yijishuichuliqizhongshejidaochuchandianweishengwuyiwaideduozhonggongnengjunshengchang，congerdaozhimoshangjunzhongshengtaiweidejingzhenghegengtideng，shiyingxiangxitongchandianwendingxingdezhongyaoyinsu。yanjiubiaoming，MFC達到穩定電流平台的時間是微生物吸附在電極上逐漸形成成熟生物膜所需的時間
，電流的大小受生物膜的影響。因此
，如何縮短產電

微生物的馴化時間
、以及增加膜量，是結合工藝實用化過程中必須解決的問題。

汙水性質：汙水性質是影響電能產生的重要生物因素之一，當汙水成分複雜時
，就不能保證電極作為唯一的電子供體，溶液中可能還會出現如NO₃--N、NO₂--N dengqitadianzigongti，congeryingxiangzhenggedianchidediannengshuchu。ciwai，butongdiwujiangjietuzhongdefuchanwuyehuiduiqichandianwendingxinghechixushijianzaochengyidingyingxiang。yinci
，wushuidexingzhihetedian
，shikaolvzaijiehegongyizhongyinrunazhongshuichuligongyidezhongyaocankao。

目前，將2種工藝結合仍然麵臨MFC發展本身的一個技術瓶頸，即係統的輸出電壓和產電功率仍較低。此外，在不同的係統中，電極材料、有效麵積、極間距以及電子受體等諸多因子，都會導致不同結

合he工gong藝yi轉zhuan化hua生sheng物wu廢fei水shui的de輸shu出chu功gong率lv和he處chu理li效xiao果guo顯xian著zhu不bu同tong，因yin此ci在zai結jie果guo的de比bi較jiao和he量liang化hua上shang有you一yi定ding困kun難nan，但dan這zhe並bing不bu影ying響xiang其qi在zai環huan保bao領ling域yu發fa展zhan的de巨ju大da潛qian力li。因yin為wei這zhe類lei結jie合he工gong藝yi，是shi從cong產chan能neng和he淨jing化hua的de雙shuang重zhong角jiao度du來lai解jie決jue日ri益yi嚴yan

重的水體汙染問題：一方麵能充分發揮2者的優勢
，進一步強化係統的汙水處理能力

；另一方麵這無疑是節能減排技術新的發展方向。

相信隨著研究者不斷的嚐試，技術的成熟和成本的降低，相關的結合工藝將在廢物重複利用和能源再生方麵發揮越來越重要的作用。