微生物燃料电池在废水处理中的应用

查湘义

摘 要：微生物燃料电池是在微生物的作用下，将有机物分解，同时产生电能的一种技术，是污水微生物处理的一个新的应用方向。本文介绍了微生物燃料电池的工作原理，并对该技术在污水处理中的应用现状做了详细的论述，提出微生物燃料电池是将来解决能源、环境问题的有效途径。

关键词：微生物燃料电池；废水处理；应用

随着人口的不断增长，人们生活水平高的不断提高，人类对能源的需求量呈逐年递增的趋势，能源日益短缺和能源需求之间的矛盾也越来越明显。能源作为一种不可再生的资源，有的地区甚至面临枯竭，如石油、煤炭等。而在利用能源方面，存在着利用率低、开采效率低，燃烧后易产生环境污染等问题。因此，新型能源的开发利用受到研究人员的关注。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）符合上述环境和能源需求，一方面能够去除污水中的有机污染物，同时利用微生物还能产生电能，实现污水处理和能源开发并进的双重优点，具有十分广阔的应用前景。

1 微生物燃料电池工作原理

1911年，英国植物学家Potter在进行酵母和大肠杆菌试验时，发现利用微生物可以产生电流。因此，污水中的有机物通过此类产电菌代谢降解，并将降解过程中产生的电子传递到电路输出电能，便形成了微生物燃料电池的基本工作过程。微生物燃料电池起主要作用是产电微生物，而该微生物分为有介体微生物（需要利用介体完成电子的传递）和无介体微生物（不需要利用介体完成电子的传递），其中无介体微生物是 MFC 研究的重点。符合这种产电的微生物有希瓦氏菌、硫还原地杆菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌、丁酸梭菌等。从微生物燃料电池的构造上看，微生物燃料电池一般单室和双室（阴、阳两个电极室），双室中间由质子交换膜隔开。在阳极室中，废水中的有机物被产电微生物氧化降解，产生的电子通过电路传递给阴极，随着阳极室氧化反应和阴极室还原反应的持续进行，电子不断通过外电路传递而形成持续的电流。

2 MFC电极应用现状

电极材料是构成MFC成本的关键因素，因此开发稳定性好、导电性强、成本低廉的电极能够有效降低MFC的成本，推进MFC的产业化应用。

2.1 阳极材料

传统阳极材料有碳棒、石墨片、石墨颗粒等，其优点是高导电性、适合细菌生长，但内阻较大导致产电率低。而碳纳米材料不仅具有传统阳极材料的优点，而且表面积大，更加适合细菌附着。①碳纳米管阳极材料。碳纳米管以其良好的导电性、热稳定性、高比表面积、极强的化学惰性，在电子传递、微生物附着等方面具有较大的优势，是一种十分理想的电极材料。梁鹏[1]等考察了碳纳米管为阳极材料的电池产电性能，其功率密度为402mW/m2，内阻为263

？偩i 。相比活性碳和柔性石墨阳极材料，碳纳米管不仅降低了阳极内阻和欧姆内阻，而且库伦效率也高于其他两种材料。②石墨烯阳极材料。通过对多壁碳纳米管的纵向切割和拆解，然后修饰在以碳纸为基础的阳极上，可以大大提高MFC的电流密度。③修饰改性阳极材料。对阳极材料表面进行修饰改性，可以大大增加阳极材料表面积，提高阳极的反应活性，加快了微生物与阳极之间的电子传递速度，从而增加系统的产电能力。

2.2 阴极材料

MFC 的阴极是接受由阳极所传递过来的电子，一般包括生物阴极、电解液阴极和空气阴极。 空气（主要是氧气）作为阴极不產生污染、价格低廉，是阴极的首选材料。但是氧气反应速率慢，需要昂贵的金属铂作为催化剂来提高速率。因此研发成本低廉、有利于提高反应速率的阴极材料十分重要。如PbO2、MnO2、TiO2、铁氧化物等以其来源广泛、价格低廉而得到广泛的应用。相关试验表明：利用纳米MnO2为阴极材料做成微生物燃料电池处理模拟生活污水，产生的功率密度最大为722 mW/m2，表现出良好的催化性能好，而且价格也较低廉。用TiO2修饰石墨板做成阴极电极，采用这种阴极所得到的功率密度比石墨阴极高230%。

3 MFC装置在废水处理中的应用

MFC处理废水主要包括易生物降解的废水（食品加工废水、酿酒废水、市政污水等）和难降解的有机污染物废水（硝基苯废水、染料废水等）， 易生物降解的废水在阳极室中进行，而难降解废水需要在共代谢的条件下被有效降解。高秀红等[2]采用单室微生物燃料电池处理垃圾渗滤液与沉积污泥。试验结果表明：输出电压最大为251mV，功率密度最大为m10.35W/m2，电池内阻为2653而对渗滤液COD去除率为96.18%，氨氮去除率为80.6%，实现了污水净化和产电一体的效果。靳敏等以空气作为阴极，采用单室微生物燃料电池对模拟含铜废水进行处理，考察该装置的去铜效果。试验结果表明：适合的初始pH值为6.0，最大的耐受铜离子浓度为12.5 mg/L，处理后废水中铜离子浓度为0.5 mg/L，达到城镇污水处理厂污染物排放标准中总铜排放标准。那冬晨等以双极室MFC处理不同底物的废水。其中啤酒废水、糖蜜废水、啤酒糖蜜混合废水作为阳极基质，含银电镀废水作为阴极溶液。结果表明：糖蜜废水MFC产电量及对COD去除率最高，最高电压为356mV，功率密度为36.21 mW/m2，阴极Ag+的质量浓度由1000 mg/L降至最低为304 mg/L。杨玥等用微生物燃料电池处理和修复城市黑臭河涌底泥。以河涌底泥作为阳极微生物及阳极基质，以铁氰化钾溶液为阴极室溶液，构建双室MFC装置。试验结果表明：在外接电阻为1500 时，得到最高输出电压为0.753 V，最大输出功率为4.94 mW/m2，有机质最高去除率为7.8%。而在外接电阻为100时，对磷、铵态氮、硝态氮的去除率最佳为29.98%、41.64%和71.52%。

4 结语

微生物燃料电池不仅能够利用废水的有机物污染物作为能源，而且在净化污水的同时还能产生一定量的电能，实现污水处理和能源开发并用的效果。同时，微生物燃料电池不同于一般的电池，它具有能源来源多样化、反应条件温和、反应过程中不产生污染物以及能量利用率高等优点，因此在当前环境污染日益严重以及能源短缺日益严峻的形势下，微生物燃料电池具有十分广阔的应用前景。

参考文献：

[1]梁鹏，范志明，曹效鑫，等.碳纳米管阳极微生物燃料电池产电特性的研究.环境科学，2008， 29（8）： 23562360.

[2]高秀红，郭彩芳，石瑛君，等.垃圾渗滤液沉积污泥微生物燃料电池的产电性能[J].环境工程学报，2016，10（11）：65906523.