微生物燃料電池在固體廢物堆肥中的應(yīng)用進(jìn)展

崔晉鑫，王鑫，唐景春

南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 環(huán)境污染過(guò)程與基準(zhǔn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071

當(dāng)今世界面臨著最為嚴(yán)重而緊迫的兩大問(wèn)題：一是日益惡化的生存環(huán)境，另外就是瀕臨枯竭的化石能源。近年來(lái)迅速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)當(dāng)中，微生物燃料電池 (Microbial fuel cell，MFC)就是一種將處理污染和產(chǎn)生能量相結(jié)合的綠色產(chǎn)能技術(shù)。MFC是利用微生物為催化劑，將生化降解有機(jī)物質(zhì)過(guò)程產(chǎn)生的能量，轉(zhuǎn)化為電能[1]，已在小分子有機(jī)酸、醇類(lèi)、糖類(lèi)、氨基酸和蛋白質(zhì)、難降解有機(jī)物、有機(jī)廢水等中得到成功應(yīng)用[2]。而且研究發(fā)現(xiàn)，利用 MFC處理有機(jī)廢水會(huì)產(chǎn)生一些特殊的處理功效，例如可以提高微生物對(duì)某些有機(jī)污染物如吡啶的降解能力[3]，陰陽(yáng)電極之間離子的轉(zhuǎn)移可以實(shí)現(xiàn)生物脫鹽等[4-6]。另外有學(xué)者在固體介質(zhì)如土壤、底泥中應(yīng)用MFC技術(shù)，發(fā)現(xiàn)植物生長(zhǎng)過(guò)程中根系分泌物對(duì)微生物的刺激作用可以使電流輸出功能功率提高7倍[7]。本文介紹了MFC技術(shù)新的應(yīng)用方向，在堆肥處理固體有機(jī)廢物過(guò)程中構(gòu)建MFC，將堆肥中產(chǎn)生的生物能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔躘8-9]。傳統(tǒng)的固體廢物堆肥產(chǎn)生的廢液和沼氣有機(jī)物含量高[10]，不僅仍然具有很強(qiáng)的污染性，而且其中的有機(jī)質(zhì)能回收利用代價(jià)高。利用MFC可將堆肥中的廢氣和廢液進(jìn)行二次生物處理，在減輕或消除毒害的同時(shí)產(chǎn)生易于利用的電能，具有重要的實(shí)際意義。

1 固體廢物堆肥微生物燃料電池的特點(diǎn)

微生物燃料電池在有機(jī)廢物的處理中具有無(wú)污染和產(chǎn)能的優(yōu)勢(shì)，在固體廢物堆肥中的應(yīng)用與溶液和廢水中相比又體現(xiàn)出新的特點(diǎn)。

1) 與廢水作為底物的MFC相比，堆肥產(chǎn)電過(guò)程不需要頻繁更換底物，為產(chǎn)電菌的富集和生長(zhǎng)提供了更加穩(wěn)定的外部環(huán)境。生活垃圾堆肥微生物電池的功率密度最大可達(dá)682 mW/m2[11]，高于一般污水處理過(guò)程中的功率密度[12]，但不同底物條件下堆肥微生物燃料電池的產(chǎn)電效率還需要進(jìn)一步研究。

2) 由于堆肥的物料有機(jī)質(zhì)含量高，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可以提供持續(xù)穩(wěn)定的電流輸出，節(jié)省了連續(xù)輸送液態(tài)廢水的能耗可作為小型的供電設(shè)備，具有較大的市場(chǎng)潛力。國(guó)外如日本有很多家庭用的小型堆肥裝置，如在此基礎(chǔ)上加入燃料電池的功能，在處理廢棄物的同時(shí)產(chǎn)電，必然會(huì)受到普通家庭的歡迎。

3) 相對(duì)于廢水需要外加熱量來(lái)保持適宜的溫度，促進(jìn)各個(gè)反應(yīng)進(jìn)程的快速進(jìn)行，固體廢物堆肥可以通過(guò)自身產(chǎn)熱來(lái)提高溫度[13-15]，不需要人工加熱。隨著溫度的上升，系統(tǒng)的底物降解速率變高，產(chǎn)電性能也增大，節(jié)能的同時(shí)促進(jìn)了產(chǎn)能。

4) 質(zhì)子從陽(yáng)極區(qū)向陰極區(qū)的傳遞效率對(duì)MFC的性能是非常重要的[16]。與溶液狀態(tài)相比，固體廢物作為降解底物時(shí)，陽(yáng)極區(qū)質(zhì)子濃度隨著底物的降解而變化，不同的區(qū)域也會(huì)有差異，這就造成質(zhì)子傳遞的不穩(wěn)定，阻力變大，從而影響到陰極區(qū)的電極反應(yīng)。

2 堆肥微生物燃料電池的微生物特征

堆肥主要是利用微生物生化降解固體廢物中的有機(jī)質(zhì)，利用16S/18S rRNA/DNA序列分析技術(shù)，Partanen等[17]對(duì)生活垃圾堆肥中的微生物多樣性進(jìn)行了研究，對(duì)得到的1 500條近全長(zhǎng)16S rDNA序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果表明在生活垃圾堆肥中可能存在超過(guò)2 000種不同的細(xì)菌。堆肥過(guò)程中形成的高度復(fù)雜的微生物種群，可以從2個(gè)方面有效地應(yīng)用于微生物燃料電池。1) 堆肥形成的微生物種群中已經(jīng)存在可以附著在陽(yáng)極上促進(jìn)陽(yáng)極區(qū)電子釋放，質(zhì)子傳遞的產(chǎn)電微生物。李鳳等[18]對(duì)農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物與城市生活垃圾進(jìn)行高溫堆肥，結(jié)果表明農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物的優(yōu)勢(shì)菌為巨大芽胞桿菌 Bacillus megaterium、根瘤菌Rhizobium sp.、黃孢原毛平革菌 Phanerochaete chrysosporium、青霉菌Penicillium sp. 同屬或同種的菌株；城市生活垃圾的優(yōu)勢(shì)菌為 Bacillus megaterium、固氮螺菌屬Azospirillum sp.、黃孢原毛平革菌Phanerochaete chrysosporium同種或同屬的菌株。微生物燃料電池的主要陽(yáng)極呼吸微生物種類(lèi)包括土桿菌Geobacteraceae、變形桿菌Proteobacteria、厚壁菌 Firmicutes、擬桿菌Bacteriodetes及放線(xiàn)菌Actinobacteria[19]。無(wú)論是堆肥還是微生物燃料電池，底物和反應(yīng)條件不同，微生物群落會(huì)發(fā)生很大的改變，但是堆肥微生物和微生物燃料電池陽(yáng)極微生物存在緊密的聯(lián)系，已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)。Bibiana等[20]研究發(fā)現(xiàn)堆肥浸出液可以有效地啟動(dòng)用于廢棄物處理的微生物燃料電池，在處理奶酪廢水的過(guò)程中，陽(yáng)極在堆肥底部產(chǎn)生的滲濾液中靜置一段時(shí)間然后運(yùn)行微生物燃料電池，可以使電流密度增大10倍。另外以廚余垃圾和園林肥料為原料的堆肥微生物燃料電池也已經(jīng)有報(bào)道[11,21]。2) 堆肥過(guò)程中形成的高度復(fù)雜的微生物群落環(huán)境，為產(chǎn)電微生物的產(chǎn)生和增殖提供了有利條件。在微生物燃料電池結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)下，堆肥過(guò)程中的微生物群落發(fā)生了變化，除了降解底物的發(fā)酵微生物，逐步富集了大量的產(chǎn)電微生物。Sandrine等[22]應(yīng)用計(jì)時(shí)電流法，在DSA陽(yáng)極 (尺寸穩(wěn)定陽(yáng)極) 上施加一個(gè)相對(duì)于飽和甘汞電極穩(wěn)定的電勢(shì)，使陽(yáng)極電勢(shì)恒定在特定數(shù)值，記錄電極表面電流的產(chǎn)生情況。結(jié)果表明在分別施加不同電勢(shì)和置于不同堆肥反應(yīng)器的 12組實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。剛開(kāi)始的5 d 幾乎沒(méi)有DSA陽(yáng)極電流，5 d后電流增加比較明顯，這種增加的趨勢(shì)一直可以持續(xù)10 d。恒定0.5 V電勢(shì)的DSA陽(yáng)極電流密度的最大值可達(dá)到385 mA/m2，經(jīng)過(guò)消毒滅菌的恒定0.7 V電勢(shì)的DSA陽(yáng)極始終沒(méi)有電流的產(chǎn)生。電流從無(wú)到有，逐步增加的過(guò)程，正是產(chǎn)電微生物生長(zhǎng)與富集的過(guò)程。經(jīng)過(guò)消毒殺菌的電極沒(méi)有電流，表明了堆肥微生物被殺死后，破壞了復(fù)雜的微生物群落環(huán)境，產(chǎn)電微生物就無(wú)法誘導(dǎo)產(chǎn)生，從而也就沒(méi)有了電流[23]。所以堆肥過(guò)程中微生物群落的復(fù)雜多樣性，對(duì)于構(gòu)建堆肥微生物燃料電池是非常重要的。

眾多研究表明產(chǎn)電微生物具有復(fù)雜的微生物群落組成，陽(yáng)極生物膜的微生物多樣性要明顯高于液體介質(zhì)中的微生物多樣性[24]。Chae等[25]采用16S rDNA分子生物學(xué)技術(shù)研究表明微生物燃料電池產(chǎn)電微生物種類(lèi)與所使用底物相關(guān)，土桿菌屬Geobacter及其類(lèi)似微生物種是不同底物條件下普遍存在的產(chǎn)電微生物，β-Proteobacteria為產(chǎn)電微生物種的優(yōu)勢(shì)微生物種，而 Firmicutes在底物為丙酸時(shí)成為優(yōu)勢(shì)微生物。另一項(xiàng)研究中γ-Proteobacteria代替 β-Proteobacteria成為陰極室的主要微生物種類(lèi)，占到總微生物種類(lèi)的48.86%[26]。利用PCR-DGGE技術(shù)的研究結(jié)果表明，微生物燃料電池可以使某種微生物優(yōu)先生長(zhǎng)成為優(yōu)勢(shì)微生物，造成微生物群落的多樣性降低[27]。通過(guò)對(duì)純菌微生物燃料電池和混合菌微生物燃料電池產(chǎn)電效能的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，混合菌微生物燃料電池的產(chǎn)電效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純菌微生物。所以堆肥過(guò)程中的混合菌微生物燃料電池的產(chǎn)電研究具有極大的應(yīng)用價(jià)值和研究意義。Nevin等[28]推論，多種微生物的聯(lián)合作用是微生物電池產(chǎn)生高電流密度的必要條件，但在混合菌微生物燃料電池的研究中遇到以下兩個(gè)方面的瓶頸：1) 混合菌在實(shí)驗(yàn)研究中的重復(fù)性較差并很難保持穩(wěn)定的群落組成。2) 從技術(shù)角度講，一些常用的分析技術(shù)如分子擴(kuò)增和基因表達(dá)對(duì)純菌有優(yōu)勢(shì)，但對(duì)混合菌的分析來(lái)講還很不成熟?；谝陨蠁?wèn)題，有關(guān)堆肥微生物燃料電池的微生物群落特點(diǎn)研究較少，但由于堆肥固體介質(zhì)的特點(diǎn)，其微生物群落結(jié)構(gòu)與液體介質(zhì)的微生物燃料電池相比會(huì)有很大的差異，對(duì)其特點(diǎn)和功能進(jìn)行深入研究是十分必要的。

3 堆肥過(guò)程中微生物燃料電池性能的影響因素

3.1 電極材料

MFC的電極對(duì)產(chǎn)電性能和有機(jī)物降解效果有非常重要的影響。電極材料必須具備3個(gè)條件[29-31]：1) 良好的導(dǎo)電性。電極必須能夠有效地將電子傳遞到外電路，同時(shí)盡量降低電極內(nèi)阻造成的損耗。2) 微生物兼容性。堆肥過(guò)程中由于底物成分復(fù)雜多樣，陽(yáng)極區(qū)會(huì)有大量的發(fā)酵微生物和產(chǎn)電微生物，隨著階段的不同，微生物種群有所變化，代謝產(chǎn)物亦隨之變化。陽(yáng)極浸泡在溶液中，電極材料需耐酸堿腐蝕，不能析出對(duì)微生物有害的物質(zhì)，毒害和抑制微生物。3) 比表面積大。陽(yáng)極表面是產(chǎn)電微生物生存的主要空間，因此如果要獲得更多的產(chǎn)電微生物，就需要提供更大的微觀表面供其附著生長(zhǎng)。

常用的電極材料：1) 碳材料，如碳紙、碳棒、碳網(wǎng)、碳顆粒、碳?xì)?、碳布等。這些材料電導(dǎo)率高，比表面積大，價(jià)格便宜，對(duì)于微生物電化學(xué)反應(yīng)沒(méi)有活性，性質(zhì)穩(wěn)定。作為堆肥的原料不同于廢水，致密的碳布比空隙較大的碳網(wǎng)和碳顆粒更適合作電極。因?yàn)楣腆w廢物可能漏到碳網(wǎng)和碳顆粒的空隙之中，影響顆粒之間的電子傳遞，造成電極內(nèi)阻增大，同時(shí)廢物的降解也會(huì)受到影響。2) 導(dǎo)電聚合物。導(dǎo)電聚合物受人們歡迎的一個(gè)重要原因是它的電阻率可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)。而且在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中導(dǎo)電聚合物也表現(xiàn)出了很多優(yōu)勢(shì)。Yuan等[32]通過(guò)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電聚合吡咯改性MFC陽(yáng)極，提高了MFC的輸出功率密度。Niessen等[33]采用氟化聚苯胺作為陽(yáng)極材料可以部分解決鉑中毒的問(wèn)題，提高陽(yáng)極的催化活性。3) 不銹鋼制品。金屬具有規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)，有大量可自由移動(dòng)的電子，導(dǎo)電性能非常好。在以往設(shè)計(jì)的 MFC很少使用不銹鋼作為電極材料，主要是考慮到以水溶液為產(chǎn)電底物時(shí)電極泡在水中，難以避免腐蝕的問(wèn)題。在廢物堆肥發(fā)酵過(guò)程中不銹鋼電極的使用有了新的嘗試。日本神奈川縣環(huán)境科學(xué)研究院利用小麥麩厭氧發(fā)酵構(gòu)建了MFC結(jié)構(gòu)[34]，實(shí)驗(yàn)中對(duì)比了電極材料分別使用不銹鋼和碳棒電極時(shí)產(chǎn)電電壓的不同，結(jié)果表明應(yīng)用不銹鋼電極材料比碳棒電極的產(chǎn)電電壓高接近200 mV。在保證電極無(wú)腐蝕的情況下，不銹鋼可替代碳材料成為陽(yáng)極材料的首選。

陰極材料在保持導(dǎo)電性的同時(shí)，化學(xué)反應(yīng)活性也是非常重要的，采用石墨、碳布、碳?xì)只蛱技堊鳛榛静牧蠒r(shí)，附著高活性催化劑可降低陰極反應(yīng)活化過(guò)電勢(shì)，加快反應(yīng)速率。陰極材料的孔隙、厚度、面積和催化劑的應(yīng)用都對(duì)整個(gè)電池電路有很大影響。Oh等[35]使用表面鍍鉑的石墨電極作陰極，在接種120 h后電能達(dá)到0.097 mW，庫(kù)倫效率在63%~78%。如果將陰極表面鍍的鉑除去，功率則減小78%。高活性催化劑使用Pt或者Pt-Ru等，可以有效促進(jìn)電極反應(yīng)。但Pt是非常昂貴的金屬，尋找廉價(jià)而高效的替代品就顯得非常重要。Yu等[36]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以1 g/ L葡萄糖溶液為底物，氧氣為陰極電子受體，酞菁鐵 (FePc) 取代Pt作為陰極催化劑時(shí)，最大功率密度從593 mW/m2上升到了634 mW/m2。而且當(dāng)?shù)孜飺Q成乙酸時(shí)，F(xiàn)ePc作為陰極催化劑，MFC的最大功率密度可達(dá)到2 011 mW/m2。同樣Zhang等[37]一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，活性碳陰極的 MFC最大功率密度為1 220 mW/m2，Pt催化劑碳纖維布陰極MFC最大功率密度為1 060 mW/m2。盧娜等[38]構(gòu)建雙室連續(xù)流微生物燃料電池，研究二氧化錳(MnO2) 為陰極催化劑的催化效果，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)陰極負(fù)載MnO2催化劑后，MFC的輸出功率密度與不使用催化劑相比提高了約4.2倍。同時(shí)也有學(xué)者研究使用碳化鉬 (Mo2C) 作為鉑的代替品[39]，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)陰極的催化劑負(fù)載量分別為0.5 mg/cm2Pt，6.0 mg/cm2Mo2C和不使用催化劑時(shí)，MFC輸出功率密度分別為3.64 W/m3，2.39 W/m3，0.61 W/m3?？梢?jiàn)碳化鉬的催化效果已經(jīng)比較接近鉑，是很有潛力替代鉑的產(chǎn)品。我們的研究中利用牛糞為底物構(gòu)建堆肥微生物燃料電池，陽(yáng)極由碳纖維布構(gòu)成，丙酮浸泡過(guò)夜除去表面的有機(jī)物以增強(qiáng)導(dǎo)電能力。陰極基本材料是碳纖維布，接觸空氣端使用4層的PTFE防水處理，接觸底物的一端添加碳載鉑催化劑使鉑的濃度為0.1 mg/cm2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明碳纖維布是非常好的電極材料，不僅導(dǎo)電能力好，而且在牛糞堆肥過(guò)程中沒(méi)有腐蝕變質(zhì)和變性的問(wèn)題，蓬松的結(jié)構(gòu)適合微生物的聚集和增殖，在2個(gè)月的運(yùn)行中，堆肥微生物燃料電池的最大輸出功率密度達(dá)到350 mW/m2，電動(dòng)勢(shì)最大達(dá)到635 mV。所以選用合理的電極材料，對(duì)電極材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚欠浅Ｖ匾?。目前處理陰極所使用的催化劑大多比較昂貴，在保證催化效果的同時(shí)，尋找廉價(jià)的催化劑，是MFC得以廣泛應(yīng)用的保障。

3.2 隔膜

MFC的陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)，多數(shù)情況都需要

利用隔膜有效地分離開(kāi)，防止陰陽(yáng)極接觸短路和電子受體對(duì)陽(yáng)極區(qū)的滲入。常見(jiàn)的隔膜有陽(yáng)離子交換膜 (CEM)、陰離子交換膜 (AEM)、雙極膜(BPM)、微濾膜 (MFM)、超濾膜 (UFM)、鹽橋、玻璃纖維膜、濾紙和其他多孔材料等[40-43]。這些隔膜基本可以分為離子交換膜和微孔交換膜兩類(lèi)。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，離子交換膜的內(nèi)阻比較小，傳遞離子效率高，能夠防止氧氣的滲透和底物的泄漏。但是離子交換膜造價(jià)很高，容易破損[44-46]。相對(duì)來(lái)講，根據(jù)空隙大小起到隔離作用的微孔交換膜更適合在堆肥的MFC中應(yīng)用。小林泰三等[9]就做了固體堆肥的MFC的性能評(píng)估。他們用割碎的草與肥料1∶2充分混合，并外加入微生物菌群和足夠的水分。首先進(jìn)行了厭氧堆肥的MFC的性能評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)表明陰陽(yáng)極區(qū)隔膜會(huì)比較明顯地影響產(chǎn)電效果。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始20 h后應(yīng)用玻璃纖維為陰陽(yáng)極區(qū)隔膜的 MFC的電流密度達(dá)到 42.5 mW/m2，相對(duì)于濾紙的34.5 mW/m2和聚合物膜的13 mW/m2，優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。對(duì)于產(chǎn)生電流密度差異的原因也是顯而易見(jiàn)的，對(duì)堆肥MFC內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)定，陰陽(yáng)極區(qū)隔膜分別為玻璃纖維、濾紙和聚合物膜時(shí)，內(nèi)阻阻值分別為75.03 ?、89.71 ?和179.81 ??？梢?jiàn)不同的隔膜會(huì)對(duì)MFC的內(nèi)阻有較大的影響，進(jìn)而影響電池的輸出電流能力。在近期以牛糞為底物的堆肥微生物燃料電池的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維膜作為隔膜，吸水后變薄，變軟，在牛糞的壓緊下容易破漏，造成陰陽(yáng)極的導(dǎo)電碳絲接觸短路。為了防止玻璃纖維膜破損和邊緣碳纖維布脫落造成短路，實(shí)驗(yàn)中使用兩層面積比陽(yáng)極碳纖維布大一點(diǎn)的玻璃纖維作為隔膜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變好。通過(guò)擬合輸出電壓隨電流變化曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維隔膜由一層變?yōu)閮蓪訒r(shí)內(nèi)阻從 75.34 ?增加到 103.54 ?，輸出電壓沒(méi)有很大的變化。我們?cè)谶x取隔膜的時(shí)候要注意根據(jù)不同的底物和操作條件進(jìn)行判斷，隔膜的可行性至關(guān)重要，例如使用濾紙作為隔膜，堆肥MFC在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的酸性物質(zhì)可能導(dǎo)致分解消失，形成陰陽(yáng)極合體的單極結(jié)構(gòu)。所以在盡量實(shí)現(xiàn)最佳的電池產(chǎn)電能力和廢物降解效果時(shí)，更重要的是注意安全和穩(wěn)定性。

3.3 供氧和構(gòu)型

氧氣是一種較強(qiáng)的氧化劑，可以高效率地利用電子，同時(shí)氧氣存在于空氣中是非常廉價(jià)的。大部分MFC研究都是以氧氣作為電子受體的。這就要求陰極區(qū)保持曝氣，同時(shí)陽(yáng)極區(qū)保持厭氧。與以前常見(jiàn)的可溶性底物的MFC不同，氧氣在固體廢物的堆肥發(fā)酵中起著非常關(guān)鍵的作用，從而影響到堆肥微生物燃料電池的產(chǎn)電性能。目前的研究當(dāng)中主要通過(guò)改變MFC構(gòu)型來(lái)實(shí)現(xiàn)氧氣的供給。日本九州大學(xué)的小林泰三等[9]利用碳纖維板為電極材料，對(duì)施加有機(jī)肥料的碎草進(jìn)行堆肥MFC實(shí)驗(yàn)，最高輸出功率厭氧狀態(tài)下為54.4 mW/m2，好氧狀態(tài)下為114.2 mW/m2。小林泰三等設(shè)計(jì)的好氧堆肥MFC構(gòu)型如圖1所示，它的特點(diǎn)是陽(yáng)極與隔膜緊密相連，隔膜與陰極之間是堆肥底物，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)將陰極、陽(yáng)極和外電阻連接起來(lái)，構(gòu)成回路。電極和隔膜面積小于反應(yīng)容器口，從而使堆肥底物暴露于空氣中，實(shí)現(xiàn)通氣。厭氧堆肥MFC構(gòu)型如圖2所示，它的不同之處是電極和隔膜面積與反應(yīng)容器相同，完全覆蓋了堆肥底物，從而使底物與空氣隔絕，實(shí)現(xiàn)厭氧。近期南開(kāi)大學(xué)的研究中以養(yǎng)殖場(chǎng)的牛糞為堆肥的原料，構(gòu)建陽(yáng)極、隔膜、陰極三合一的微生物燃料電池，反應(yīng)容器是圓柱形的有機(jī)玻璃，陰極置于圓柱形容器的底部，暴露于空氣中。堆肥微生物燃料電池先敞開(kāi)反應(yīng)容器口，對(duì)牛糞進(jìn)行好氧曝氣，反應(yīng)器構(gòu)型見(jiàn)圖 3，當(dāng)外阻為1 000 ?時(shí)，輸出電壓經(jīng)過(guò)1 d迅速上升達(dá)到400 mV，此后增長(zhǎng)速度下降，到第5天后輸出電壓基本穩(wěn)定在500 mV。然后封閉反應(yīng)容器口，進(jìn)入?yún)捬蹼A段，反應(yīng)器構(gòu)型見(jiàn)圖4，觀察發(fā)現(xiàn)輸出電壓在原來(lái) 500 mV的基礎(chǔ)上開(kāi)始緩慢上升，1 d后達(dá)到550 mV，并且穩(wěn)定近1個(gè)月。氧氣對(duì)于堆肥微生物燃料電池具有雙方面的作用，一方面足量的氧氣可以加強(qiáng)和促進(jìn)牛糞的降解，另一方面氧氣進(jìn)入陽(yáng)極區(qū)會(huì)導(dǎo)致電子和質(zhì)子的反應(yīng)，從而破壞微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)。所以氧氣的供給量對(duì)堆肥MFC的影響非常重要。我們需要根據(jù)不同的廢物類(lèi)型、堆肥容器的構(gòu)造、廢物中的有機(jī)物含量和碳氮的相對(duì)比例等因素進(jìn)行確定氧氣的量，從而達(dá)到廢物降解和高效產(chǎn)電的有機(jī)統(tǒng)一。

圖1 好氧堆肥頂部微生物燃料電池Fig. 1 Aerobic composting with a top microbial fuel cell.

圖2 厭氧堆肥頂部微生物燃料電池Fig. 2 Anaerobic composting microbial with a top microbial fuel cell.

圖3 好氧堆肥底部微生物燃料電池Fig. 3 Aerobic composting with a bottom microbial fuel cell.

圖4 厭氧堆肥底部微生物燃料電池Fig. 4 Anaerobic composting with a bottom microbial fuel cell.

5 展望

堆肥微生物燃料電池可以將生物質(zhì)能直接轉(zhuǎn)化為電能，根據(jù)底物和反應(yīng)條件的不同，生成的產(chǎn)物可以是水、氫氣和鹽類(lèi)等[47]，不僅清潔無(wú)污染，而且有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但是有關(guān)研究還處于初級(jí)階段，很多重要的影響因素都沒(méi)有進(jìn)行過(guò)有效的研究，例如補(bǔ)充無(wú)機(jī)鹽可以增大溶液的電導(dǎo)率，從而降低質(zhì)子傳遞阻力，但是濃度太高又會(huì)造成微生物細(xì)胞失水。較高的溫度一般有利于生化反應(yīng)的進(jìn)行，但是堆肥有時(shí)溫度會(huì)達(dá)到50 ℃高于大多數(shù)產(chǎn)電微生物的適應(yīng)溫度范圍。只有形成一定的溶液狀態(tài)，質(zhì)子才能夠傳遞，陰、陽(yáng)極才能夠成為整體的結(jié)構(gòu)，但是含水率過(guò)高又會(huì)對(duì)堆肥降解底物過(guò)程不利。總之，在發(fā)展綠色能源呼聲日益升高的今天，作為具有消除污染和產(chǎn)能雙重功效的廢物處理技術(shù)，堆肥微生物燃料電池很可能成為固體廢物資源化新的方向，如何將充分降解底物和高效的產(chǎn)電有機(jī)結(jié)合將成為人們研究的熱點(diǎn)。

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