微生物燃料電池在廢水處理中的應(yīng)用研究

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)境和水體造成嚴重污染。因此必須對農(nóng)業(yè)廢水進行處理，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)進行發(fā)電并對其進行了處理[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_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)境造成嚴重污染，故必須對其進行深度處理。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。

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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。