钜大LARGE | 点击量：2209次 | 2019年11月07日
微生物燃料电池处理废水时的产电性能研究
设计了一个经典的双室微生物燃料电池，并考察了其在接种厌氧污泥条件下对葡萄糖模拟废水的产电性能。试验主要考察了电池系统在不同的电极材料及不同COD浓度下的产电性能及废水处理效率。结果表明，该电池在初始COD为1000mg/L，以石墨为电极的运行条件下产电性能最好，最大电流密度为4.4mA/m2。在不同的COD浓度下，该系统对废水中COD的去处率都稳定在70%。另外实验还考察了好氧污泥代替空气作为电子受体后电池系统的产电性能及废水处理效率。在该条件下，微生物燃料电池的产电性能得到了显著的提高，输出电流密度约为17.3mA/m2，同时其对废水中的COD去除率达到了82%。
微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，简称为MFC）是一种利用微生物体作为催化剂将有机物质及无机物质氧化并产生电能的装置[1]。随着环境问题日益严峻以及经济高速发展对能源需求的日益增加，微生物燃料电池也越来越受重视。Logan等[2]以城市生活污水为营养物质构造的新型微生物燃料电池实现了污水处理的同时回收电能，从而在一定程度上降低了污水的处理成本。
然而，现在国内外大部分的微生物燃料电池研究都集中在单容器型的微生物燃料电池，重点都围绕着减少微生物燃料电池的内阻，从而提高微生物燃料电池的产电性能[3]。传统的废水处理工艺中，生物处理部分主要是由好氧生物处理和厌氧生物处理组成。这与传统的双室微生物燃料电池的构造相匹配。因此，双室微生物燃料电池是应用到实际废水处理过程中，实现废水处理和能源回收的理想模式。
基于上述观点，本研究设计了一个经典的无介体双室微生物燃料电池，利用该电池系统对模拟生活污水进行处理并考察了该过程中系统的产电性能，为微生物燃料电池应用到实际的废水处理过程中提供科学依据。
1实验装置和方法
1.1无介体双室微生物燃料电池系统的搭建
微生物燃料电池系统如图1所示，该电池由有机玻璃制成，主要由阴极室和阳极室两部分构成。由恒温磁力加热搅拌器对阳极室内的混合液进行连续搅拌，以保证营养物质和微生物体充分混合。阴极室内则由一小型空气泵对内曝气充氧。单室呈圆柱型，有效容积为2009mL（Φ80mm×400mm），两电极均由石墨制成，有效面积为350cm2。阴阳两室以质子交换膜（Nafion117，杜邦）连接，其连接处有效面积约为13cm2。外电路负载是一可调电阻箱（ZX97E）（1-1000000Ω）。该燃料电池产生的电压信号由外接的数据采集系统（personalDaq/56）自动收集。
1.2实验条件
阳极室中的接种污泥是来自北京市高碑店污水处理厂污泥消化池中的消化污泥。在室温下利用COD约为200mg/L的葡萄糖模拟废水培养7天，以恢复污泥的活性并富集菌种。基质为葡萄糖配制成的营养储备液，pH值保持在7左右[4-5]，COD约为1000mg/L。厌氧泥及基质在进入反应器前，均需通入一定时间的氮气以去除其中的溶解氧。在整个实验过程中保持阳极室中的厌氧状态，当一个产电周期结束后，停止搅拌，待混合液中污泥沉降完全后，弃去上清液，重新添加新的营养物质。整个微生物燃料电池的运行温度基本维持在35℃左右[6-7]。整个实验过程中，保持外路电阻不变，约为100Ω。
1.3分析项目与方法
化学需氧量COD测定：按照GB/T11914-89规定测定。
电化学性质的确定：电池的输出电压U由数据采集系统自动记录，电路中的电流大小I=U/Rw，其中Rw为外阻大小。电流密度ρ（I）=I/A，其中A为电极的有效面积。功率密度ρ（p）=ρ（I）×U。
2试验结果
2.1不同电极材料对微生物燃料电池产电性能的影响
对于微生物燃料电池而言，电极材料直接关系到该电池的电子传输速率以及其内阻大小，对其产电性能有着显著的影响。本试验主要考察了两种电极材料。一种是成本较低，机械强度较好的石墨。由于石墨电极的反应表面为平面，故选用碳纤维纸（简称为碳纸）（GEFC-GDL3，北京金能）作为对比的电极材料，同传统的石墨电极相比，碳纸具有体积小，重量轻，孔隙率高等优点。两电极材料的对比实验都是在COD为1000mg/L，外阻为100Ω的条件下进行的。在底物中COD的浓度都为1000mg/L时，两者产电性能的比较如图2所示。
从图2可知，石墨电极产电的稳定性优于碳纸电极，在其后期该趋势显得更加明显，石墨电极外路的平均电流密度比碳纸电极高出30%，达到4.4mA/m2。此外，在以碳纸和石墨为电极的条件下，电池系统对模拟废水中COD的去除率均保持在70%以上，出水COD都保持在300mg/L。因此，对于石墨和碳纸而言，无论采用何种电极材料，对微生物燃料电池的废水处理效果是没有显著影响的。
2.2不同COD条件下微生物燃料电池的产电性能
本实验主要考察了在处理不同COD浓度的城市污水过程中微生物燃料电池产电性能。考虑到城市污水中COD的浓度一般不高，所以该实验主要考虑了燃料电池系统阳极（厌氧端）在COD分别为200、400、600、800、1000、1500mg/L的情况下的产电性能。微生物燃料电池在不同COD浓度下的输出电流密度如图3所示。从图3中可以看出，在不同的COD浓度下，电池系统都有一定的电流产出。随着COD浓度的增加，微生物燃料电池系统的输出电流密度在不断的增大，特别是当底物浓度从400g/L上升到1000mg/L的时候，该系统的输出电流密度出现了急剧的增长，电流密度从1.6mA/m2上升到了4.5mA/m2。但是，随着COD浓度的继续增加，底物浓度从1000mg/L上升到1500mg/L时，增长趋势变得平缓，输出电流没有明显的增长。该燃料电池系统在不同COD浓度下对模拟废水中的COD都具有很好的去除效果。在整个实验过程中电池系统对COD的去除率都稳定在70%左右。从实验结果可以看出，该电池系统对不同浓度的城市污水都有很好的处理效果，特别是对于低浓度的城市污水（200~400mg/L），经过微生物燃料电池系统处理后出水的COD浓度可以达到100mg/L以下。因此，利用微生物燃料电池既能处理废水达到环境保护的要求又能回收一部分的电能。
2.3双室微生物燃料电池的动力学研究
2.3.1双室微生物燃料电池的产电规律
为了研究双室微生物燃料电池的产电规律，对上述不同COD条件下电池的累计产电量进行分析，实验结果如图4所示。由图4可知，当初始COD浓度为1000mg/L时，此时微生物燃料电池的累计产电量接近最大值，约为26C。当初始COD低于该值时，累积产电量随底物浓度的增加而增加，而当浓度超过这一值时，累计产电量不再随底物浓度的增加而显著提高。这一变化规律恰恰符合酶促反应的Monod方程，则用该方程来描述微生物燃料电池与初始COD之间的关系：
由图4中的非线性回归分析，可得半饱和常数KS=1211mg/L，该微生物燃料电池的最大产电量Qmax=27.52C。
2.3.2双室微生物燃料电池的COD降解规律
为了研究微生物燃料电池在实际废水处理过程中应用的可行性，不仅需要考察其产电性能的高低，该体系对废水中污染物的处理效果也是需要重点考察的。为了分析和评价电池系统的废水处理能力，本实验考察了电池系统针对不同COD浓度的废水处理能力，实验结果如图5所示。
由图5可知，微生物燃料电池对于废水中COD的降解规律符合酶促反应关于底物浓度的一级动力学方程，拟和曲线的回归率较高。对于整个实验过程而言，整个电池系统的运行时间保持不变约为24h。因此，由回归方程可以得出微生物燃料电池系统对废水中COD的降解速率常数为k=0.215h-1。
2.4好氧生物处理在微生物燃料电池系统中的应用
为了将微生物燃料电池与废水的实际处理过程有机的结合起来，进一步考察该系统应用到实际废水处理过程中可行性。本实验在电池系统的阴极（好氧端）接种1000mL好氧污泥，用好氧污泥及其代谢产物作为电子受体代替通常的空气阴极。该好氧污泥取自北京市北小河污水处理厂的污泥回流池中，污泥沉降性好，生物相丰富，MLSS为5.87g/L。曝气24h恢复活性后投加1000mL葡萄糖模拟废水，COD约为500mg/L。阴极内采用间歇式反应，水力停留时间控制在12h左右。
好氧污泥作为阴极后微生物燃料电池的产电性能如图6所示。好氧污泥作为阴极后，微生物燃料电池的输出电流密度约为17.3mA/m2，大约是单纯以空气作为阴极时的电流密度时的4倍。电池阴极（好氧端）添加好氧污泥后，出水COD浓度约为60mg/L，好氧端对废水中的COD去除率达到了82%。从实验结果可以看出，用好氧污泥代替空气作为电子受体后可以大大提高微生物燃料电池的产电性能。同时将微生物燃料电池的厌氧端（阳极）和好氧端（阴极）与传统废水处理中的好氧和厌氧生物处理有机的结合起来，
达到了很理想的废水处理效果的同时也回收了一定的电能，满足了废水处理资源化的要求。
3结论
（1）微生物燃料电池在COD浓度为200~1500mg/L时均有稳定的电流输出。最佳的COD浓度为1000mg/L，此时，系统输出电流密度为4.4mA/m2。该电池系统在不同的COD浓度下，对废水中COD的去除率都稳定在70%左右，达到了较理想的处理效果。
（2）对于石墨和碳纸两种电极材料而言，石墨电极的产电性能以及机械强度较好，更适合与实际的工程应用。
（3）在电池系统阴极使用好氧污泥代替空气作为电子受体后，大大提高了电池的产电性能，输出电流密度约为17.3mA/m2，同时其对废水中的COD去除率达到了82%。实现了废水处理的同时回收电能。
（4）本实验考察的电极主要是成本低廉，机械强度较好的石墨电极，并且考虑到废水的处理成本，并未对石墨电极做任何的改性。如果对石墨电极进行改性处理的话，该电池的系统的电流输出密度可达到几十到上百mA/m2。
