氧化還原電位對MFC中產(chǎn)電的研究

高 彬，劉 茜

（1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，西安 710075；2.中國建筑西北設計研究院有限公司，西安 710018）

微生物燃料電池（microbialfuelcell，MFC）是一種理論上在凈化污水同時能夠產(chǎn)生電能的新型污水處理工藝[1]。本研究通過在陽極室中設置附加供氣管路，實現(xiàn)對陽極室內ORP的控制，確定最佳氧化還原電位范圍，以提高MFC輸出功率和電化學活性。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗的反應裝置為單極室微生物燃料電池。陰極材料分為兩層，外層為載鉑碳紙（載鉑量0.5 mg/cm2），內層為Nafion117質子膜，兩層結構通過開有規(guī)則小孔的有機玻璃板擠壓貼合在一起。

1.2 接種及反應器啟動

利用人工模擬的生活污水作為陽極基質，馴化回流污泥（西安第四污水處理廠）一周培養(yǎng)菌種，向反應器陽極室中注入體積比1:2的基質和無氧水，在恒溫培養(yǎng)箱中連續(xù)運行。待電壓下降至約70 mV時，更換約200 mL上層清液再次運行。

1.3 測定方法

使用萬用表記錄陽極電勢Ua和輸出電壓U，采用氣相色譜分析儀測定水樣中揮發(fā)酸的種類和含量。采用電化學工作站檢測并繪制MFC循環(huán)伏安曲線和交流阻抗曲線[2-3]。

2 結果與討論

2.1 ORP對MFC輸出功率的影響

功率密度曲線通過電壓極化數(shù)據(jù)計算得出，功率密度值越大，表示MFC產(chǎn)電能力越強。由圖1功率密度曲線可見，各ORP下功率密度大小情況為：P=-250 mV＞P=-200 mV＞P=-150 mV＞P=-100 mV。電流密度與外部電阻為負相關，隨著電流密度的增大，功率密度先增大后減小，初始階段增速較快，接近波峰時，增速下降，當達到最大值后，先緩慢下降，隨后下降速度逐漸增大。

圖1 功率密度曲線

2.2 ORP對MFC發(fā)酵類型的影響

圖2 氣相分析

ORP能夠控制和判斷厭氧微生物的能量和營養(yǎng)代謝途徑，精確化控制發(fā)酵代謝產(chǎn)物。根據(jù)圖2氣相分析結果可知，當ORP小于-150 mV時，發(fā)酵類型以乙酸發(fā)酵為主，24 h前后乙酸大量產(chǎn)生，隨后產(chǎn)生量逐漸降低，加之微生物的呼吸作用消耗，底物中乙酸含量迅速下降。

圖3 陽極pH

不同ORP下，陽極室內pH基本維持在中性左右，前期因發(fā)酵產(chǎn)生大量H+致使初始pH較低，隨后因電子隨外接電路傳至陰極，H+快速通過質子膜向陰極轉移，pH逐漸恢復至中性。由圖3可知，當ORP大于-150 mV后，陽極室內厭氧環(huán)境被破壞，產(chǎn)電菌活性和厭氧發(fā)酵受抑制，致使pH增加，此時平均pH高于6.8，不利于產(chǎn)電輸出。同時，較高的pH值又會影響乙酸菌群的優(yōu)勢地位，使得異丁酸或丙酸逐漸成為優(yōu)勢菌群，進而影響產(chǎn)電菌的代謝類型。

2.3 ORP對MFC庫倫效率和COD去除率的影響

微生物燃料電池在降解廢水中有機物的同時產(chǎn)生電子，形成電流。

表1 不同ORP下COD去除率和庫倫效率

由表1數(shù)據(jù)可知，除對照ORP外，COD去除率在40%～50%之間變化，COD去除率普遍偏低；當COD去除率降低時，庫倫效率卻逐漸增加，這主要是pH的變化引起的。因此，在不破壞厭氧環(huán)境的前提下，充入痕量氧氣是可行的，但對提升MFC整體性能作用不明顯。

2.4 ORP對MFC電化學測試的影響

不同ORP值下的等效電路分別為R（QR）（QR）、R（QR）（QR）（CR）、R（QR）（QR）（CR）、R（QR（QR）（QR）（CR）），其中，R為電阻，Q為雙電層電容，C為電容），等效電路圖可用于阻抗譜分析。

雖然擬合得到的和EIS計算出的內阻構成有小幅變化，但整體變化趨勢基本相同。歐姆內阻一直較低，而極化內阻與濃差內阻基本呈負相關，除-250 mV外，不同ORP下內阻基本由極化內阻構成。

在完整的掃描范圍內，當ORP為-250 mV、-200 mV時，CV曲線出現(xiàn)氧化還原峰，ORP為-150 mV時，氧化還原峰不太顯著。當ORP大于-150mV時，MFC的CV曲線較為平順，沒有出現(xiàn)明顯的氧化還原峰，在整個掃描過程中，MFC性能和充放電速率穩(wěn)定。

3 結論

不同ORP下，MFC功率密度曲線呈平滑二次拋物線形式，ORP為-250 mV時，功率密度最高，ORP大于-250mV時，功率密度逐漸降低。MFC陽極室內發(fā)酵類型受ORP影響，ORP小于-150 mV時，以乙酸發(fā)酵為主，且乙酸發(fā)酵時伴隨異丁酸和丙酸發(fā)酵，而ORP處于-100 mV時，則以丙酸發(fā)酵為主。溶液中COD主要分3個階段進行分解。不同ORP條件下，COD去除率與庫倫效率表現(xiàn)為負相關，雖然改變ORP可以增加庫倫效率，但COD去除率會同時降低，因此為同時獲取較高的庫倫效率和COD去除率，適當通入痕量氧氣增加ORP較為適宜。