A/O-MFC处理垃圾渗滤液与产电性能研究

高秀红，刘子明，曹玲，王鑫

(1.吉林省高校环境材料与污染控制重点实验室，吉林 四平 136001；2.吉林师范大学 环境科学与工程学院，吉林 四平 136001；3.吉林工程职业学院 生物工程学院，吉林 四平 136000)

微生物燃料电池[1](MFC)是一种将化学能转变为电能的能量转换装置。目前全球能源供需矛盾日益明显，世界各国均在积极推动新能源[2]和可再生能源[3]的发展。基于此，研究者提出在去除污染物的同时又回收能源[4-5]的想法，将MFC与各种污水生物处理工艺[6-7]相结合，可实现“除污-产能”一体化。本研究在构建了序批式A/O-MFC耦合工艺的基础上，以垃圾渗滤液为底物，考察A/O-MFC的产电性能和除污效果，以期为“污-废水”能源回收技术研究提供理论基础和数据支持。

1 实验部分

1.1 原料来源

接种污泥取自四平市城市污水处理厂二沉池，呈浆状。

1.2 实验装置构建

实验装置见图1，采用双室MFC，阴、阳两极室为圆柱形有机玻璃瓶，有效容积250 mL(总容积300 mL)，均置于(30±1) ℃的恒温水浴锅内。阴、阳极均为4 cm×5 cm×1 mm的不锈钢板材料，使用前用砂纸打磨，垂直悬浮于两极室内。两极板由铜丝相连，外接1 000 Ω负载电阻。

图1 A/O-MFC结构示意图

1.3 装置接种、启动与运行

本研究构建A/O双室MFC装置，阴、阳两极室分别接种适量二沉池污泥。为了缩短微生物驯化周期及提高MFC性能，在阳极室加入实验室前期已经稳定运行一年以上的MFC渗滤液混合液30 mL，然后再将原垃圾渗滤液稀释3倍后加至阳极，至有效体积为250 mL。启动时，阳极为厌氧室(A池)，由胶塞密封以维持厌氧状态，经由穿孔口进样或采样；阴极为好氧室(O池)，加入稀释3倍后的渗滤液至250 mL，通过曝气设备持续通入空气，溶解氧浓度维持在(4.10±0.51)mg/L。两极室经由盐桥相连，当输出电压>50 mV，认为启动成功。

序批式A/O-MFC分3个阶段运行。每阶段阳极室初始渗滤液浓度相同，阴极则加入不同浓度的渗滤液，每阶段内重复运行多个周期。当输出电压发生急剧下降时认为装置内有机物浓度不能使产电微生物持续高效产电，进而取样测定COD、氨氮值作为该周期的终点。此后，立即向阴、阳极室分别加入一定量的原垃圾渗滤液，使COD初始浓度接近每一阶段的初始浓度值，每次加入后立即取样测定COD、氨氮值记为该周期的初始浓度。

1.4 分析方法

极化曲线通过稳态放电法测定[11]，电流密度(I)和功率密度(P)计算过程如公式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

式中A——阳极电极有效表面积，m2；

R——外接电阻阻值，Ω；

I——电流密度，A/m2；

P——功率密度，mW/m2。

2 结果与讨论

2.1 COD去除效果分析

序批式A/O-MFC分3个阶段运行，第1阶段运行3个周期，第2、3个阶段各运行4个周期。每阶段阴、阳极COD浓度变化情况见图2。为增加可比性，实验过程中控制每个运行阶段阳极室中所加入的垃圾渗滤液进水COD浓度基本维持不变，平均为1 252.0 mg/L；阴极室中垃圾渗滤液的量则按低、中、高3个梯度依次增加，COD浓度平均分别为709.1，1 215.6，2 100.6 mg/L。

图2 阴、阳极COD浓度变化情况

由图2可知，在阳极液相同的条件下，MFC两极的COD的去除率均随阴极渗滤液浓度的增加而增大。阴极COD去除率分别为52.35%，69.02%和80.68%，第2，3阶段比第1阶段去除率分别提高31.84%和54.11%；阳极COD去除率提高百分比分别44.28%，54.76%。对比发现，A/O-MFC阴极COD去除效果明显好于阳极，原因可能在于阴、阳两极分别为好氧、厌氧池，阴极持续曝气，一方面在气流的混合搅拌作用下使阴极室内均质性效果较好，微生物可与污染物质充分接触，同时也为好氧微生物提供了充足溶解氧；另一方面较高浓度的垃圾渗滤液为好氧微生物提供较多的碳、氮等营养物质，使微生物新陈代谢能力增强[12]，进而有利于COD的去除。

表1 A/O-MFC对的去除率

由表1可知，其变化趋势与COD类似，氨氮的去除也随阴极室渗滤液浓度的增加而增加，且阴极室处理效果明显好于阳极室。各阶段阴极室氨氮去除率平均分别为47.11%，69.02%和79.40%，而阳极室去除率最大仅为54.90%。A/O-MFC体系中阴极为好氧环境，发生硝化反应，微生物将氨氮氧化成亚硝酸盐和硝酸盐等，进而作为电子受体接受电子还原为N2释放，氨氮去除率较高；阳极的厌氧微生物在新陈代谢过程中将氨氮作为氮源利用，抑或是发生厌氧氨氧化[13]作用实现氮的脱出，且阳极液为活性污泥、垃圾渗滤液的混合悬浮液，阳极室未进行搅拌，随着微生物的不断繁殖，活性污泥絮体结构不断增大，使部分微生物沉降在阳极室底部，导致阳极液均质性效果较差，从而降低了厌氧微生物与污染物的接触机会，导致氨氮去除效果降低。同时，厌氧微生物的世代时间明显长于好氧微生物，这也是导致阳极室除污效果较低的可能因素之一。

2.3 A/O-MFC输出电压

各阶段MFC的输出电压随时间变化情况见图3。

图3 MFC的输出电压随时间变化情况

由图3可知，输出电压在每周期开始时先迅速升高，并在较高数值范围内维持脉冲式波动状态，而后急剧下降至该周期结束，进而需重新添加垃圾渗滤液(见图中箭头)开始新的周期。MFC的输出电压随阴极渗滤液浓度的增加而增大，高效脉冲波动幅度随渗滤液浓度增加而减缓，意味着高效产电时长增加。第1，2，3阶段内每个周期最大电压的平均值分别为379.5，540.6，880.4 mV。序批式A/O-MFC的每个运行周期末期当输出电压处于急剧下降时，向阴、阳极室补给垃圾渗滤液后，输出电压均能骤然迅速抬升，可见MFC内的产电微生物群落生命活力较强，能迅速适应环境，持续高效输出电能。有研究表明，MFC输出电压随时间呈现的类似脉冲波动现象是混合液中微生物种群相互竞争与协同作用[14]的结果，进而促进微生物产电；脉冲波动幅度减缓表明体系内产电微生物种群多样性更趋于均衡，可能是MFC体系内产电微生物演化呈丰度较高的微生物种群[15]。鉴于垃圾渗滤液成分复杂，COD、氨氮含量较高，因此高浓度的垃圾渗滤液可为产电微生物提供较多营养物质，促进微生物新陈代谢功能，利于产电。

2.4 A/O-MFC极化曲线

A/O-MFC稳定运行阶段的极化曲线、功率密度和电流密度关系见图4。

图4 极化曲线、功率密度和电流密度关系

由图4可知，3个阶段的功率密度呈先增大后减小的趋势，最大功率密度分别0.030，0.096，0.129 W/M2，第3阶段A/O-MFC体系的功率密度分别是前两个阶段4.30，1.34倍；获得的开路电压分别为0.574，1.048，1.288 V。可见，微生物燃料电池产电能力随阴极渗滤液浓度的增加而增大。由于电池内阻随电流增加而不断极化，经计算得每阶段的内阻分别为1 339.97，1 466.15，1 767.66 Ω，可见，内阻也随渗滤液浓度增加而增大，高浓度垃圾渗滤液在为微生物提供丰富营养物质的同时也使体系内金属离子含量增大，有利于电池的电化学反应，但随着可生化降解有机物的浓度降低，惰性组分不断在体系内积累导致MFC内阻增加。第2，3阶段处理渗滤液COD污染负荷分别比第1阶段增加71.4%，196.2%，而MFC内阻仅增加9.4%，31.9%，因此从总体来讲，处理高浓度垃圾渗滤液的A/O-MFC的除污-产电性能最好。

3 结论

(1)MFC两极的COD、氨氮的去除率均随阴极渗滤液浓度的增加而增大，且阴极室去除效果明显好于阳极室。阴极COD去除率分别为52.35%，69.02%和80.68%。

(2)每阶段阴极室氨氮去除率平均分别为47.11%，69.02%和79.4%。MFC输出电压随阴极渗滤液浓度的增加而增大，高效脉冲波动幅度随渗滤液浓度增加而减缓。

(3)第1，2，3阶段每隔周期最大电压的平均值分别为379.5，540.6，880.4 mV，最大功率密度分别0.030，0.096，0.129 W/M2。第3阶段功率密度分别是前两个阶段4.30，1.34倍。

序批式A/O-MFC处理高浓度垃圾渗滤液的除污-产电性能较好，可见，将MFC与污水生物处理工艺相结合，可实现“除污-产能”一体化。