鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：2293次 | 2019年11月07日
微生物燃料電池處理廢水時(shí)的產(chǎn)電性能研究
設(shè)計(jì)了一個(gè)經(jīng)典的雙室微生物燃料電池，并考察了其在接種厭氧污泥條件下對(duì)葡萄糖模擬廢水的產(chǎn)電性能。試驗(yàn)主要考察了電池系統(tǒng)在不同的電極材料及不同COD濃度下的產(chǎn)電性能及廢水處理效率。結(jié)果表明，該電池在初始COD為1000mg/L，以石墨為電極的運(yùn)行條件下產(chǎn)電性能最好，最大電流密度為4.4mA/m2。在不同的COD濃度下，該系統(tǒng)對(duì)廢水中COD的去處率都穩(wěn)定在70%。另外實(shí)驗(yàn)還考察了好氧污泥代替空氣作為電子受體后電池系統(tǒng)的產(chǎn)電性能及廢水處理效率。在該條件下，微生物燃料電池的產(chǎn)電性能得到了顯著的提高，輸出電流密度約為17.3mA/m2，同時(shí)其對(duì)廢水中的COD去除率達(dá)到了82%。
微生物燃料電池（MicrobialFuelCell，簡(jiǎn)稱為MFC）是一種利用微生物體作為催化劑將有機(jī)物質(zhì)及無(wú)機(jī)物質(zhì)氧化并產(chǎn)生電能的裝置[1]。隨著環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻以及經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對(duì)能源需求的日益增加，微生物燃料電池也越來(lái)越受重視。Logan等[2]以城市生活污水為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)構(gòu)造的新型微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)了污水處理的同時(shí)回收電能，從而在一定程度上降低了污水的處理成本。
然而，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外大部分的微生物燃料電池研究都集中在單容器型的微生物燃料電池，重點(diǎn)都圍繞著減少微生物燃料電池的內(nèi)阻，從而提高微生物燃料電池的產(chǎn)電性能[3]。傳統(tǒng)的廢水處理工藝中，生物處理部分主要是由好氧生物處理和厭氧生物處理組成。這與傳統(tǒng)的雙室微生物燃料電池的構(gòu)造相匹配。因此，雙室微生物燃料電池是應(yīng)用到實(shí)際廢水處理過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)廢水處理和能源回收的理想模式。
基于上述觀點(diǎn)，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)經(jīng)典的無(wú)介體雙室微生物燃料電池，利用該電池系統(tǒng)對(duì)模擬生活污水進(jìn)行處理并考察了該過(guò)程中系統(tǒng)的產(chǎn)電性能，為微生物燃料電池應(yīng)用到實(shí)際的廢水處理過(guò)程中提供科學(xué)依據(jù)。
1實(shí)驗(yàn)裝置和方法
1.1無(wú)介體雙室微生物燃料電池系統(tǒng)的搭建
微生物燃料電池系統(tǒng)如圖1所示，該電池由有機(jī)玻璃制成，主要由陰極室和陽(yáng)極室兩部分構(gòu)成。由恒溫磁力加熱攪拌器對(duì)陽(yáng)極室內(nèi)的混合液進(jìn)行連續(xù)攪拌，以保證營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微生物體充分混合。陰極室內(nèi)則由一小型空氣泵對(duì)內(nèi)曝氣充氧。單室呈圓柱型，有效容積為2009mL（Φ80mm×400mm），兩電極均由石墨制成，有效面積為350cm2。陰陽(yáng)兩室以質(zhì)子交換膜（Nafion117，杜邦）連接，其連接處有效面積約為13cm2。外電路負(fù)載是一可調(diào)電阻箱（ZX97E）（1-1000000Ω）。該燃料電池產(chǎn)生的電壓信號(hào)由外接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（personalDaq/56）自動(dòng)收集。
1.2實(shí)驗(yàn)條件
陽(yáng)極室中的接種污泥是來(lái)自北京市高碑店污水處理廠污泥消化池中的消化污泥。在室溫下利用COD約為200mg/L的葡萄糖模擬廢水培養(yǎng)7天，以恢復(fù)污泥的活性并富集菌種。基質(zhì)為葡萄糖配制成的營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)備液，pH值保持在7左右[4-5]，COD約為1000mg/L。厭氧泥及基質(zhì)在進(jìn)入反應(yīng)器前，均需通入一定時(shí)間的氮?dú)庖匀コ渲械娜芙庋?。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持陽(yáng)極室中的厭氧狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)產(chǎn)電周期結(jié)束后，停止攪拌，待混合液中污泥沉降完全后，棄去上清液，重新添加新的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。整個(gè)微生物燃料電池的運(yùn)行溫度基本維持在35℃左右[6-7]。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持外路電阻不變，約為100Ω。
1.3分析項(xiàng)目與方法
化學(xué)需氧量COD測(cè)定：按照GB/T11914-89規(guī)定測(cè)定。
電化學(xué)性質(zhì)的確定：電池的輸出電壓U由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄，電路中的電流大小I=U/Rw，其中Rw為外阻大小。電流密度ρ（I）=I/A，其中A為電極的有效面積。功率密度ρ（p）=ρ（I）×U。
2試驗(yàn)結(jié)果
2.1不同電極材料對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響
對(duì)于微生物燃料電池而言，電極材料直接關(guān)系到該電池的電子傳輸速率以及其內(nèi)阻大小，對(duì)其產(chǎn)電性能有著顯著的影響。本試驗(yàn)主要考察了兩種電極材料。一種是成本較低，機(jī)械強(qiáng)度較好的石墨。由于石墨電極的反應(yīng)表面為平面，故選用碳纖維紙（簡(jiǎn)稱為碳紙）（GEFC-GDL3，北京金能）作為對(duì)比的電極材料，同傳統(tǒng)的石墨電極相比，碳紙具有體積小，重量輕，孔隙率高等優(yōu)點(diǎn)。兩電極材料的對(duì)比實(shí)驗(yàn)都是在COD為1000mg/L，外阻為100Ω的條件下進(jìn)行的。在底物中COD的濃度都為1000mg/L時(shí)，兩者產(chǎn)電性能的比較如圖2所示。
從圖2可知，石墨電極產(chǎn)電的穩(wěn)定性優(yōu)于碳紙電極，在其后期該趨勢(shì)顯得更加明顯，石墨電極外路的平均電流密度比碳紙電極高出30%，達(dá)到4.4mA/m2。此外，在以碳紙和石墨為電極的條件下，電池系統(tǒng)對(duì)模擬廢水中COD的去除率均保持在70%以上，出水COD都保持在300mg/L。因此，對(duì)于石墨和碳紙而言，無(wú)論采用何種電極材料，對(duì)微生物燃料電池的廢水處理效果是沒有顯著影響的。
2.2不同COD條件下微生物燃料電池的產(chǎn)電性能
本實(shí)驗(yàn)主要考察了在處理不同COD濃度的城市污水過(guò)程中微生物燃料電池產(chǎn)電性能?？紤]到城市污水中COD的濃度一般不高，所以該實(shí)驗(yàn)主要考慮了燃料電池系統(tǒng)陽(yáng)極（厭氧端）在COD分別為200、400、600、800、1000、1500mg/L的情況下的產(chǎn)電性能。微生物燃料電池在不同COD濃度下的輸出電流密度如圖3所示。從圖3中可以看出，在不同的COD濃度下，電池系統(tǒng)都有一定的電流產(chǎn)出。隨著COD濃度的增加，微生物燃料電池系統(tǒng)的輸出電流密度在不斷的增大，特別是當(dāng)?shù)孜餄舛葟?00g/L上升到1000mg/L的時(shí)候，該系統(tǒng)的輸出電流密度出現(xiàn)了急劇的增長(zhǎng)，電流密度從1.6mA/m2上升到了4.5mA/m2。但是，隨著COD濃度的繼續(xù)增加，底物濃度從1000mg/L上升到1500mg/L時(shí)，增長(zhǎng)趨勢(shì)變得平緩，輸出電流沒有明顯的增長(zhǎng)。該燃料電池系統(tǒng)在不同COD濃度下對(duì)模擬廢水中的COD都具有很好的去除效果。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電池系統(tǒng)對(duì)COD的去除率都穩(wěn)定在70%左右。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該電池系統(tǒng)對(duì)不同濃度的城市污水都有很好的處理效果，特別是對(duì)于低濃度的城市污水（200~400mg/L），經(jīng)過(guò)微生物燃料電池系統(tǒng)處理后出水的COD濃度可以達(dá)到100mg/L以下。因此，利用微生物燃料電池既能處理廢水達(dá)到環(huán)境保護(hù)的要求又能回收一部分的電能。
2.3雙室微生物燃料電池的動(dòng)力學(xué)研究
2.3.1雙室微生物燃料電池的產(chǎn)電規(guī)律
為了研究雙室微生物燃料電池的產(chǎn)電規(guī)律，對(duì)上述不同COD條件下電池的累計(jì)產(chǎn)電量進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)初始COD濃度為1000mg/L時(shí)，此時(shí)微生物燃料電池的累計(jì)產(chǎn)電量接近最大值，約為26C。當(dāng)初始COD低于該值時(shí)，累積產(chǎn)電量隨底物濃度的增加而增加，而當(dāng)濃度超過(guò)這一值時(shí)，累計(jì)產(chǎn)電量不再隨底物濃度的增加而顯著提高。這一變化規(guī)律恰恰符合酶促反應(yīng)的Monod方程，則用該方程來(lái)描述微生物燃料電池與初始COD之間的關(guān)系：
由圖4中的非線性回歸分析，可得半飽和常數(shù)KS=1211mg/L，該微生物燃料電池的最大產(chǎn)電量Qmax=27.52C。
2.3.2雙室微生物燃料電池的COD降解規(guī)律
為了研究微生物燃料電池在實(shí)際廢水處理過(guò)程中應(yīng)用的可行性，不僅需要考察其產(chǎn)電性能的高低，該體系對(duì)廢水中污染物的處理效果也是需要重點(diǎn)考察的。為了分析和評(píng)價(jià)電池系統(tǒng)的廢水處理能力，本實(shí)驗(yàn)考察了電池系統(tǒng)針對(duì)不同COD濃度的廢水處理能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
由圖5可知，微生物燃料電池對(duì)于廢水中COD的降解規(guī)律符合酶促反應(yīng)關(guān)于底物濃度的一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，擬和曲線的回歸率較高。對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程而言，整個(gè)電池系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間保持不變約為24h。因此，由回歸方程可以得出微生物燃料電池系統(tǒng)對(duì)廢水中COD的降解速率常數(shù)為k=0.215h-1。
2.4好氧生物處理在微生物燃料電池系統(tǒng)中的應(yīng)用
為了將微生物燃料電池與廢水的實(shí)際處理過(guò)程有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步考察該系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際廢水處理過(guò)程中可行性。本實(shí)驗(yàn)在電池系統(tǒng)的陰極（好氧端）接種1000mL好氧污泥，用好氧污泥及其代謝產(chǎn)物作為電子受體代替通常的空氣陰極。該好氧污泥取自北京市北小河污水處理廠的污泥回流池中，污泥沉降性好，生物相豐富，MLSS為5.87g/L。曝氣24h恢復(fù)活性后投加1000mL葡萄糖模擬廢水，COD約為500mg/L。陰極內(nèi)采用間歇式反應(yīng)，水力停留時(shí)間控制在12h左右。
好氧污泥作為陰極后微生物燃料電池的產(chǎn)電性能如圖6所示。好氧污泥作為陰極后，微生物燃料電池的輸出電流密度約為17.3mA/m2，大約是單純以空氣作為陰極時(shí)的電流密度時(shí)的4倍。電池陰極（好氧端）添加好氧污泥后，出水COD濃度約為60mg/L，好氧端對(duì)廢水中的COD去除率達(dá)到了82%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，用好氧污泥代替空氣作為電子受體后可以大大提高微生物燃料電池的產(chǎn)電性能。同時(shí)將微生物燃料電池的厭氧端（陽(yáng)極）和好氧端（陰極）與傳統(tǒng)廢水處理中的好氧和厭氧生物處理有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，
達(dá)到了很理想的廢水處理效果的同時(shí)也回收了一定的電能，滿足了廢水處理資源化的要求。
3結(jié)論
（1）微生物燃料電池在COD濃度為200~1500mg/L時(shí)均有穩(wěn)定的電流輸出。最佳的COD濃度為1000mg/L，此時(shí)，系統(tǒng)輸出電流密度為4.4mA/m2。該電池系統(tǒng)在不同的COD濃度下，對(duì)廢水中COD的去除率都穩(wěn)定在70%左右，達(dá)到了較理想的處理效果。
（2）對(duì)于石墨和碳紙兩種電極材料而言，石墨電極的產(chǎn)電性能以及機(jī)械強(qiáng)度較好，更適合與實(shí)際的工程應(yīng)用。
（3）在電池系統(tǒng)陰極使用好氧污泥代替空氣作為電子受體后，大大提高了電池的產(chǎn)電性能，輸出電流密度約為17.3mA/m2，同時(shí)其對(duì)廢水中的COD去除率達(dá)到了82%。實(shí)現(xiàn)了廢水處理的同時(shí)回收電能。
（4）本實(shí)驗(yàn)考察的電極主要是成本低廉，機(jī)械強(qiáng)度較好的石墨電極，并且考慮到廢水的處理成本，并未對(duì)石墨電極做任何的改性。如果對(duì)石墨電極進(jìn)行改性處理的話，該電池的系統(tǒng)的電流輸出密度可達(dá)到幾十到上百mA/m2。
