微生物燃料電池在水污染治理領(lǐng)域的研究進(jìn)展

摘要：本文概述了微生物燃料電池對(duì)各種廢水的治理情況，分析其對(duì)不同廢水的治理效果，以及其存在優(yōu)缺點(diǎn)，最終提出相應(yīng)的看法和建議。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池;廢水處理;陽(yáng)極;陰極

中圖分類(lèi)號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）09-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.033

Research progress of microbial fuel cells in the field of water pollution control

Zhang Lei

（Jiangsu Lanlian Environmental Technology Co.，Ltd.，Changzhou Jiangsu 213000，China）

Abstract：This article outlines the treatment of various wastewaters by microbial fuel cells，analyzes their effects on different wastewaters， and their advantages and disadvantages. Finally put forward corresponding views and suggestions.

Key words：Microbial fuel cell;Wastewater treatment;Anode;Cathode

1 微生物燃料電池簡(jiǎn)介

1.1 微生物燃料電池構(gòu)造及原理

微生物燃料電池（MFC）是一種能同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢水治理與產(chǎn)電的新型技術(shù)[1]。其通過(guò)MFC陽(yáng)極的微生物作催化劑，將廢水中有機(jī)污染物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。傳統(tǒng)MFC由陽(yáng)極室和陰極室組成，兩室之間通過(guò)質(zhì)子交換膜（PEM）相隔。其主要原理是以陽(yáng)極微生物作催化劑氧化底物（如葡萄糖、乙酸鈉等），產(chǎn)生電子、質(zhì)子和二氧化碳。電子通過(guò)介體傳遞到陽(yáng)極（負(fù)極）極板，并通過(guò)外電路負(fù)載到達(dá)陰極，質(zhì)子通過(guò)PEM由陽(yáng)極到達(dá)陰極，氧化劑（以O(shè)2為例）在陰極得到電子而 被還原，從而形成回路，產(chǎn)生電流（其工作原理見(jiàn)圖1）。

陽(yáng)極反應(yīng)和陰極反應(yīng)分別為：

陽(yáng)極反應(yīng)： C6H12O6+6H2O→6CO2+24e-+24H+ （1）

陰極反應(yīng)： 6O2+24e-+24H+→12H2O （2）

1.2 微生物燃料電池的分類(lèi)

微生物燃料電池的分類(lèi)具有多樣性。按照其構(gòu)型分類(lèi)主要有雙室和單室MFC，雙室MFC包括陽(yáng)極和陰極，中間以質(zhì)子交換膜隔絕開(kāi)，單室MFC是將陰極和質(zhì)子交換膜整合在一起。按照電子傳遞機(jī)制分類(lèi)主要有直接型和間接型MFC，陽(yáng)極產(chǎn)電微生物能直接自主地將電子轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極電極上的屬于直接型MFC，需要添加電子介體實(shí)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移的屬間接型MFC。按照陽(yáng)極有機(jī)底物可以分為沉積型、光能自養(yǎng)型和優(yōu)能異養(yǎng)型MFC。

2 微生物燃料電池處理廢水研究進(jìn)展

2.1 陽(yáng)極處理廢水

MFC作為能同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢水處理和產(chǎn)電的裝置。其對(duì)廢水的降解一般是通過(guò)陽(yáng)極產(chǎn)電微生物的代謝作用。近年來(lái)，已有大量學(xué)者將MFC應(yīng)用于染料廢水、焦化廢水、垃圾滲濾液等諸多工業(yè)廢水的污染治理中。

2.1.1 染料廢水

現(xiàn)有研究表明，MFC在染料廢水治理方面的研究效果相對(duì)較為顯著，對(duì)染料廢水表現(xiàn)出不俗的脫色效果和產(chǎn)電性能。MFC能有效處理活性艷泓X-3B、剛果紅、甲基橙、酸性橙7等諸多染料。Li等[2]研究發(fā)現(xiàn)，以碳?xì)肿麝?yáng)極和陰極材料的雙室MFC對(duì)甲基橙和酸性橙7的降解率能達(dá)到99%，MFC電壓最大能達(dá)到250mV。

2.1.2 焦化廢水

有研究報(bào)道，MFC能有效處理焦化廢水（COD=2000mg/L），最大電壓能穩(wěn)定在370mV左右。能實(shí)現(xiàn)含硫、含氮、酚類(lèi)、環(huán)狀、烷烴類(lèi)污染物的降解。

2.1.3 垃圾滲濾液

相對(duì)于其他工業(yè)廢水，垃圾滲濾液成分相對(duì)復(fù)雜且含有大量的有機(jī)物，其廢水COD較高，可生化性較差。You等[3]首次將垃圾滲濾液作陽(yáng)極底物，利用MFC處理垃圾滲濾液并產(chǎn)生電能。其研究表明，MFC對(duì)垃圾滲濾液的處理效率能達(dá)到98%，功率密度能達(dá)到6.8W/m2。隨后諸多學(xué)者展開(kāi)研究發(fā)現(xiàn)，MFC對(duì)垃圾滲濾液的處理，運(yùn)行時(shí)間最優(yōu)為10～12d，對(duì)BOD和NH3-N的降解率分別能達(dá)到98%和89%左右。

可見(jiàn)，MFC陽(yáng)極對(duì)多種工業(yè)廢水均存在較好的處理效果，且能夠穩(wěn)定運(yùn)行和產(chǎn)電。然而MFC陽(yáng)極處理工業(yè)廢水時(shí)，也存在一定的限制性因素。譬如，受到陽(yáng)極微生物活性的影響較大，當(dāng)廢水中含有的有毒有害物質(zhì)濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)破壞微生物活性，導(dǎo)致降解率下降。

2.2 陰極處理廢水

MFC陰極對(duì)燃料廢水的處理，主要是通過(guò)MFC陽(yáng)極底物被微生物降解所產(chǎn)生的電子被傳遞到陰極后。一方面，電子直接被陰極的污染物接受，部分污染物則直接被還原處理;另一方面，電子被氧氣接受后產(chǎn)生H2O2，H2O2自身具有一定的氧化性，對(duì)有機(jī)物存在少量的氧化降解作用。同時(shí)通過(guò)外投Fe2+的方式，F(xiàn)e2+能和H2O2生成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基（·OH），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的氧化降解。

2.2.1 還原降解

MFC陰極的還原降解一般應(yīng)用于對(duì)染料廢水治理方面。在陰極厭氧環(huán)境下，染料作為電子受體與陽(yáng)極傳遞來(lái)的質(zhì)子、電子結(jié)合，發(fā)生還原反應(yīng)。染料被還原后發(fā)色基團(tuán)發(fā)生斷裂，實(shí)現(xiàn)脫色。崔旸等[4]研究發(fā)現(xiàn)，以硫化菌作為產(chǎn)電微生物，甲基橙作電子受體時(shí)，雙室MFC能實(shí)現(xiàn)對(duì)甲基橙的完全脫色。Oon等[5]以不同的偶氮染料（新胭脂紅、酸性橙7、活性紅120、活性綠19）作MFC陰極電子受體，研究染料結(jié)構(gòu)對(duì)MFC還原降解的影響。結(jié)果表明，新胭脂紅降解率最佳，為（95.5±1.1）%;酸性橙7次之，為（94.9±0.9）%，活性紅120和活性綠19降解率分別為（78.5±7.2）%、（81.7±1.2）%。

2.2.2 氧化降解

MFC陰極的氧化降解一般是MFC和芬頓氧化技術(shù)的耦合（MFC-Fenton體系），其通過(guò)陰極氧氣作電子受體接受電子產(chǎn)生H2O2，外投Fe2+后，F(xiàn)e2+和H2O2生成羥基自由基（·OH）。·OH作為一種強(qiáng)氧化性物質(zhì)，其氧化還原電位能達(dá)到2.8V，對(duì)絕大多數(shù)污染物均有較好的降解。

Fu等[6]分別以Fe2+、Fe3+作為芬頓試劑加入MFC陰極，降解目標(biāo)污染物莧菜紅。結(jié)果表明，以1mmol/L Fe2+作芬頓試劑，1h內(nèi)可以完全降解。以Fe3+作芬頓試劑，F(xiàn)e3+會(huì)在MFC陰極被還原成Fe2+，F(xiàn)e2+與MFC原位生成的H2O2反應(yīng)，1h內(nèi)莧菜紅降解率達(dá)到76.4%。

研究者[7]通過(guò)比較褐鐵礦、磁鐵礦和赤鐵礦3種鐵礦粉投加到MFC-Fenton體系中，對(duì)模擬廢水中的橙Ⅱ染料的效果。結(jié)果表明，3種鐵礦均能夠催化形成生物電芬頓體系，其中褐鐵礦的催化效果最好，2.5h橙Ⅱ染料的去除率可達(dá)到98%以上。向50mL陰極體系中投加0.1g褐鐵礦，可以維持體系在較高的氧化效率下連續(xù)運(yùn)行20個(gè)周期，且沒(méi)有殘?jiān)a(chǎn)生。

目前MFC陰極對(duì)廢水的處理一般包括還原和氧化兩種途徑，其中還原降解存在以下弊端：當(dāng)陰極污染物（一般為染料）被還原后，分子結(jié)果被破壞，大分子有機(jī)污染物被將降解成小分子污染物，但是小分子污染物無(wú)法繼續(xù)被還原降解完全成無(wú)機(jī)物質(zhì)。而MFC-Fenton技術(shù)通過(guò)原位生成H2O2，外投金屬離子的方式生成·OH，能有效降解偶氮染料。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，具有能耗低、二次污染小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

微生物燃料電池作為一種新型技術(shù)能有效降解有機(jī)污染物并產(chǎn)生電能，且不會(huì)產(chǎn)生二次污染。其中MFC陰極耦合芬頓氧化的技術(shù)受限制因素小，具有較好的應(yīng)用前景。通過(guò)繼續(xù)研究，增強(qiáng)污染物處理效率及產(chǎn)電性，縮小處理成本，對(duì)水環(huán)境污染治理具有較好的實(shí)際意義。

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收稿日期：2020-07-27

作者簡(jiǎn)介：張磊（1982-），漢族，碩士，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣I(yè)水處理、環(huán)境影響評(píng)價(jià)等。