微生物燃料电池在废水处理中的应用

一.导言

近年来，随着城市化进程的加快，不可再生能源日益枯竭；各种废水的排放量及其排放标准也越来越高，微生物燃料电池越来越受到人们的重视。微生物燃料电池(MFC)作为一种创新技术，不仅可以降低废水处理的成本，而且为人类获取能源提供了一种新的途径。然而，它在投入运行时仍存在许多弊端，严重阻碍了MFC技术的发展。因此，为了推广这一新技术，有必要对MFC进行更深入的研究，增加其投入实际运行的可行性。

本文综述了MFC技术在处理各种废水方面的研究进展，以期在环境治理和能源方面得到更广泛、更深入的应用，并为今后的研究工作提供参考。

二、MFC在实际废水处理中的性能

2.1市政或生活污水

目前，市政生活污水处理厂通常采用好氧活性污泥法污水处理。在曝气阶段，对电能的需求很大，在过程的最后会产生大量的剩余污泥。由于其排放量大，污水处理厂的运行成本高。MFC可以弥补传统处理技术的不足，符合废物资源化的原则。

随着对微生物燃料电池实际应用研究的不断深入，生物阴极微生物燃料电池已成为近年来的研究热点。PuigS等人建立并使用空气阴极的单室MFC系统模型处理生活污水，功率输出为1.14W/m3，COD去除率为80.0%。RodrigoMA等采用双室MFC，COD去除率为30.0%，功率密度较大，为25mw/m，Li等。采用三室MFC的短程硝化反硝化组合，TN去除率高达99.9%，净产电量为0.007kW-h/m3。谢等采用好氧、缺氧生物阴极的双室或三室MFC，其TN去除率高达97.3%。崔等人构建了三室双阴极MFC系统，结果表明该MFC系统对COD和NHJ-N有很好的去除效果，去除率分别高达98%和95%。缺氧阴极和好氧阴极的功率密度分别为1.88W/m3、0.74W/m3和0.59W/m3。

1.2农业废水

畜禽粪便废水是农业废水的主要组成部分，含有大量的有机物、悬浮物、氮和磷，排放恶臭气体，水量大，排放集中，对环境和水体造成严重污染。因此，必须对农业废水进行处理，以解决水污染和臭气问题，而能够净化富含有机物的农业用水并产生电能的MFC系统是农业废水处理的新方向。

闵等首先将双室液相阴极MFC和单室空气阴极MFC应用于猪场废水的研究。结果表明，双室MFC在处理溶解化学需氧量为8，320 mg/L的猪场废水时可获得45mW/m2的较大功率密度，而单室MFC在处理较高浓度的猪场废水时可获得261mW/m2的较大功率密度，氨氮去除率达到83%。之后，Yokoyama等人用单室空气阴极反应器处理牛粪时，COD和BOD的去除率分别为70%和84%，较高的功率密度为0.34mW/m2。MFC可以降解养殖废水中的有机物，同时获得电能，从而保护环境和水体免受污染。该技术为农业废水的处理提供了极大的帮助。

1.3工业废水

1.3.1水晶加工废水

食品工业废水有机物和悬浮物含量高，一般毒性小，主要包括制糖废水、淀粉加工废水、啤酒酿造废水、乳品废水等。许多研究人员已经使用MFC系统来发电和处理它。Kapadnis等人首次以活性污泥为微生物源，以巧克力工业废水为底物，构建了双室MFC。从实验结果可以看出，ts(处理前为2344mg/L，处理后为754mg/L)，BODS(处理前为640mg/L，处理后为230mg/L)和COD(处理前)，文等人首次构建了双极室连续流MFC处理啤酒废水。研究表明，采用双极室连续流MFC可大大提高废水处理效果，啤酒废水化学需氧量(COD)总去除率可达92.2%-95.1%。赵海等。首次采用空气阴极MFC处理甘薯燃料乙醇废水，以COD为5000mg/L的废水为底物。最大电功率为334.1mW/m2，库仑效率为10.1%，COD去除率为92.9%。

1.3.2染料废水

工业废水(主要来自染料制造业和纺织业)中含有大量的合成化学染料。染料废水具有色度高、成分复杂、生物毒性大、处理难度大的特点。如果直接排放，会对环境造成严重污染，必须进行深度处理。微生物电化学系统处理染料废水是一种高效节能环保的技术。

MFC对某些染料脱色能力的研究。Kalathil等人首次开发了一种颗粒活性炭基(GACB-MFC)，无需任何昂贵的材料，可同时实现真实染料脱色和生物发电。结果表明，阳极和阴极的脱色率分别为73.0%和77.0%。COD去除率分别为71.0%和76.0%。孙等将单室MFC系统引入到活性艳红X浓度为300mg/L的偶氮染料废水处理系统中，较大处理量为0.842 w/m3，罗等首次采用双室MFC系统处理苯酚浓度为1000mg/L，葡萄糖浓度为500mg/L的混合废水，与400mg/L的单室MFC系统进行了对比。高功率密度从9.1W/m3提高到28.3W/m3，60h内去除率超过95%，表明无需共基质即可降解苯酚并产电。

二、发展前景

与传统的废水处理方法相比，MFC处理效果好，工艺流程短，并且可以发电。因此，MFC系统有望成为一种可持续发展的新型系统，以满足日益增长的废水处理和环境保护的能源需求。目前，MFC应用于废水处理的研究主要是小型实验室系统。虽然过去十年的研究已经将其功率密度提高了几个数量级，但还需要进一步的突破才能将这些系统扩展到大规模的实际应用中。

(1)目前，MFC是由单一菌株构建的。在实际应用中，单一菌株无法适应复杂的水质变化。筛选能代替单一菌株作为电子供体的微生物是今后的研究方向之一。

(2)阴阳极室内的MFC被质子交换膜隔开，不利于MFC的扩展。单室设计的MFC有利于其扩展使用，即质子交换膜缠绕在阴极棒上，置于阳极室中，但其大规模使用还需测试。电能的传输主要受阴极的影响。阴极产生的氧气通过质子交换膜后会影响阳极的兼性厌氧菌。氧作为电子受体而不是电极，严重影响电的输出。因此，阴阳极材料的选择是MFC的重要研究方向之一。

(3)在环境污染和能源短缺的今天，MFC在降解各种废水的同时发电有很大的发展空间。随着生物和化学交叉研究的深入，微生物燃料电池将在污水处理和能源可持续发展方面得到更广泛的应用。(来源:兰州交通大学环境与市政工程学院)

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