田 野， 楊嘉敏， 成少安， 陸俊弘， 李艷賓， 杜玉坤

(浙江大學(xué) 清潔能源利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

0 引言

當(dāng)前城市排水系統(tǒng)面臨著有害氣體超標(biāo)、內(nèi)澇頻繁等問題，危害管道工作人員的安全，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失.故建立實時監(jiān)控報警系統(tǒng)具有重要意義[1].

現(xiàn)有的監(jiān)控報警系統(tǒng)需要建立無線檢測節(jié)點，但這些節(jié)點電池更換成本高，廢棄電池造成環(huán)境污染大.微生物燃料電池(microbial fuel cell, MFC)利用微生物的呼吸作用降解污水中的有機物，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為可利用的電能[2-5]，是一種清潔可再生能源.利用MFC取代蓄電池，實現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備的自供能是解決上述問題的最佳方法之一.

本研究基于下水道環(huán)境特點，研制水滴狀浮標(biāo)式單室空氣陰極MFC反應(yīng)器，建立用于MFC產(chǎn)電的能量采集和控制電路，研究了MFC處理下水道污水產(chǎn)生電能并驅(qū)動排水管網(wǎng)信息無線監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，對城市“智能水網(wǎng)”建設(shè)具有實際意義[6-7].

1 實驗與方法

1.1 總體設(shè)計

本研究系統(tǒng)由MFC、能量采集、能量管理和微處理器控制4個模塊組成.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1.

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The diagram of general structure

MFC用于給整個系統(tǒng)供電，同時降解排水管污水中的有機污染物.MFC反應(yīng)器設(shè)計成水滴狀浮標(biāo)式結(jié)構(gòu)，保證空氣陰極在水位變化時始終位于氣固液三相反應(yīng)界面，同時避免污水流速過大影響MFC的工作性能.能量采集與存儲模塊通過能量采集芯片BQ25504采集MFC處理污水產(chǎn)生的能量，并將其儲存在儲能元件中.

能量管理模塊通過外部時鐘PCF8563控制模擬開關(guān)ADG823的通斷，進(jìn)而控制升壓穩(wěn)壓芯片TPS610891的使能端，使得系統(tǒng)在工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，工作狀態(tài)下負(fù)載部分工作，進(jìn)行監(jiān)測.休眠狀態(tài)僅PCF8563和ADG823工作，實現(xiàn)平均低功耗管理.升壓穩(wěn)壓芯片TPS610981為PCF8563和ADG823提供穩(wěn)定的電壓.

1.2 MFC模塊

1.2.1 MFC裝置構(gòu)造

水滴狀漂浮式單室空氣陰極MFC結(jié)構(gòu)如圖2所示.反應(yīng)器重心在下半部，始終正向放置并浮于水面.頂部設(shè)彈簧掛鉤與管道內(nèi)壁相對固定，連接陰陽極的導(dǎo)線與掛鉤組合成束并引出，以連接外部電路.掛鉤可維持反應(yīng)器處于漂浮狀態(tài)，同時彈簧的使用避免繩狀掛鉤潛在的纏繞打結(jié)問題.上半部設(shè)有4個直徑為22 mm和15 mm的透氣小孔以供空氣流通，鰓型孔型可防止污水濺入.底部設(shè)有直徑分別為45、40、34 mm的透水孔，供污水流通.陰極緊貼在帶孔隔板上，邊緣密封良好.在外殼緊貼隔板下端處布置若干個透氣孔，使陽極室在水面安裝布置時可將空氣排清.

圖2 MFC反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)圖Fig.2 Structural parameters of MFC reactor

空氣陰極由活性炭催化劑、泡沫鎳集電體、PTEE粘結(jié)劑和PTFE擴散層組成，表面積為160.61 cm2，直徑14.3 cm，安裝于反應(yīng)器上半部分的錐體的底部，具有產(chǎn)電性能好、成本低廉等優(yōu)點，適用于大規(guī)模污水處理系統(tǒng).陽極由多根長度為7.7 cm，直徑為2 cm的碳纖維刷組成，微生物附著在陽極上.碳纖維刷呈星形放射狀分布，其安裝位置在反應(yīng)器的處于污水中的下半部分球體中，陽極軸線所在平面距離陰極表面的距離為1.5 cm.碳纖維具有低成本、耐腐蝕、生物親和性良好等優(yōu)點，其高比表面積可減少電池性能受陰極氧氣擴散的影響[8].為提高該裝置的實用性，反應(yīng)器中不使用質(zhì)子交換膜.

目前我國地下排水管道直徑一般為0.5～7 m，下水道適宜流速為0.61～1.07 m/s[9]，但在天氣突變等因素的影響下，水速遠(yuǎn)高于該范圍.陽極室的透水孔具有顯著的減速特性，減少高速水流對反應(yīng)器工作性能的影響.本研究通過ANSYS Fluent對透水孔的減速特性進(jìn)行模擬.反應(yīng)器外殼最大直徑為355.4 mm，管道直徑為560 mm，管道截面流速均勻，為3 m/s，污水的動力黏度取為0.005 kg/(m·s)，水面光滑.模擬所得的流速分布圖如圖3所示.

圖3 管道流速仿真Fig.3 Simulation of the flow velocity profiles in the drain

由模擬結(jié)果可得，該結(jié)構(gòu)可將水速降低至入口流速的53%.若需進(jìn)一步提高減速效果，可適當(dāng)減小孔徑或調(diào)整開孔位置.

1.2.2 MFC接種與運行

接種源為已運行(含1 g/L乙酸鈉的50mMPBS緩沖液)1 a的MFC出水.采用比例為1∶1的接種源液和含有1 g/L乙酸鈉、12.5 mL/L礦物質(zhì)和5 mL/L維生素的50 mMPBS緩沖液的混合液對MFC進(jìn)行接種和培養(yǎng).MFC運行的人工污水的組成：Na2HPO4·12H2O，11.466 g/L；NaH2PO4·2H2O，2.75 g/L；NH4Cl，0.31 g/L；KCl，0.13 g/L；乙酸鈉，1 g/L；礦物質(zhì)，12.5 mL/L；維生素，5 mL/L.MFC采用的菌種為混合菌.

MFC在接種和運行過程中外接電阻200 Ω.采用改變外接電阻法測試MFC功率和極化曲線，電阻變化范圍為20～140 Ω.MFC采用序批次方式在30 ℃恒溫室中運行.

1.2.3 MFC分析和計算方法

采用電壓測量儀實時記錄MFC輸出電壓數(shù)據(jù)并存儲；采用DR2800便攜式分光光度計測定污水反應(yīng)前后COD.

(1)COD去除率.為測試MFC對有機污染物的清潔能力，采用COD去除率作為評價標(biāo)準(zhǔn).

COD去除率按下式計算：

(1)

式中:V0為初始COD體積，mg/L；Vt為最終COD體積，mg/L.

(2)路端電壓.外接電阻兩端的電壓，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集并存儲.

(3)功率密度.單位電極面積的輸出功率，表征MFC產(chǎn)電能力，按下式計算：

(2)

式中:I為外電路電流，A；U為路端電壓，V；A為陰極有效面積，m2.

1.3 能量采集與儲存模塊

微生物燃料電池的電動勢一般在400 mV附近，低于一般的DC/DC升壓器允許的最低輸入電壓，因此無法通過升壓器直接升壓穩(wěn)壓.多個電池串聯(lián)會產(chǎn)生電極極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，也無法通過MFC

串聯(lián)實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定提升[10].小型MFC的輸出功率在實際廢水環(huán)境下通常處于毫瓦級別，而傳感器和MCU等設(shè)備的工作電壓一般在5 V左右，功率為瓦級，因此單個小型MFC無法為其提供足夠的電壓和功率.

為避免上述問題，本研究利用能量采集芯片BQ25504將MFC產(chǎn)生的電能采集并儲存在儲能元件內(nèi)，可以在儲能元件兩端得到一般升壓器所需的最低輸入電壓，待其儲存足夠的能量后，再由其為小型電子器械提供電能[11-12].

BQ25504可以設(shè)置儲能元件的上限電壓，在儲能元件的端電壓達(dá)到上限值時，停止向儲能元件充電，實現(xiàn)過充保護(hù).儲能元件通過Vbat引腳向后面的TPS610891、TPS610981輸入電壓.由于應(yīng)用條件的要求，儲能元件需要頻繁地充放電，因此采用充放電壽命較高的超級電容做為儲能元件.

能量采集及儲存模塊的電路原理圖如圖4所示.

1.4 能量管理模塊

MFC產(chǎn)生的功率只有幾毫瓦，而整個系統(tǒng)的功耗達(dá)到瓦.在實際情況下，排水管網(wǎng)的監(jiān)控并不需要連續(xù)進(jìn)行，因此可將一個運行周期分為休眠和工作兩個狀態(tài)，工作狀態(tài)下無線監(jiān)控系統(tǒng)工作，休眠狀態(tài)下系統(tǒng)維持著較低功耗，從MFC中獲取能量以補充工作狀態(tài)的電能消耗，實現(xiàn)系統(tǒng)整體的持續(xù)運行.

圖4 能量采集與儲存模塊電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of energy harvesting and storage module

該方法的關(guān)鍵在于休眠狀態(tài)的系統(tǒng)功耗低于從MFC采集能量的功率.依此本研究設(shè)計了能量管理模塊對系統(tǒng)進(jìn)行低功耗管理[10,13].

能量管理模塊由DC/DC升壓器TPS610891、DC/DC升壓芯片TPS610981、外部時鐘PCF8563、CMOS模擬開關(guān)ADG823構(gòu)成[13].

能量管理模塊電路原理圖如圖5所示.

圖5 能量管理模塊電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of energy management module

DC/DC升壓器TPS610981用于向PCF8563、ADG823提供穩(wěn)定的3.3 V工作電壓.DC/DC升壓器TPS610891用于向MCU、傳感器和無線發(fā)送模塊等提供穩(wěn)定的5 V電壓[14].TPS610891的最大輸入電流為1.5 A，可以滿足負(fù)載對于功率和電流的要求.其具有用電平控制的使能端EN，EN為低電平則使能端被禁止，切斷負(fù)載與輸入電源的聯(lián)系.EN為高電平則使能端被使能.

外部時鐘PCF8 563具有計時和中斷功能，其中斷引腳INT與模擬開關(guān)ADG823的S2、D2相連.PCF8563的中斷時間可由軟件設(shè)置，由SDA、SCL引腳實現(xiàn)與MCU的通信.中斷到來時，INT引腳會由非中斷狀態(tài)的高電平變?yōu)榈碗娖?，改變ADG823的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控制TPS610891的使能端由禁止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到使能狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)在休眠狀態(tài)到工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換.

注意，為防止由輸入電源提供的電流因MCU的IO口電壓為低電平而從MCU的IO口倒流入MCU，增大系統(tǒng)空載休眠狀態(tài)的損耗，本研究將SDA、SCL引腳所接的電阻接到TPS610891的電壓輸出端上.這樣，只有系統(tǒng)在工作狀態(tài)時，該電壓輸出端才會有高電平的電壓.所以，在SDA、SCL引腳上所接的電阻引起的損耗只出現(xiàn)在系統(tǒng)的工作時間內(nèi)，并不會增加系統(tǒng)休眠狀態(tài)下的損耗.一個完整的工作周期描述如圖6所示.

圖6 定時工作的運行邏輯框圖Fig.6 Logic diagram of regular running

1.5 無線監(jiān)控模塊

無線監(jiān)控模塊包括MCU、傳感器和無線通信設(shè)備等.

2 結(jié)果與分析

2.1 MFC產(chǎn)電性能

MFC啟動后，外接電阻200 Ω，其端電壓隨時間的變化如圖7所示，電池電壓可穩(wěn)定在約500 mV.電壓的突降是電解液中有機質(zhì)被產(chǎn)電菌耗盡的結(jié)果，更換溶液后，電壓可在短時間內(nèi)恢復(fù)正常工作水平.

圖7 MFC外電壓隨時間變化曲線Fig.7 Voltage curve of MFC

MFC穩(wěn)定后，測量電池的極化曲線和功率曲線測量結(jié)果如圖8所示.數(shù)據(jù)處理后得到電池開路電壓為544.4 mV，內(nèi)阻為30 Ω，電池產(chǎn)電最大功率為4.94 mW，面積功率密度為241.58 mW·cm-2.

圖8 電池極化及功率曲線Fig.8 Polarization and power curve of MFC

2.2 MFC污水處理能力

對于單個運行周期，MFC處理前和處理后反應(yīng)液的COD值分別為949 mg/L和100 mg/L，COD去除率為89.5%.表明MFC反應(yīng)器具有較高的污水處理能力.

2.3 微能量采集功率

MFC產(chǎn)生的能量經(jīng)BQ25504采集后儲存在儲能元件中，為系統(tǒng)供電.儲能元件的實際儲存能量的功率即為MFC的輸出功率乘以BQ25504的效率.本研究以儲能元件中實際儲存能量的功率作為能量采集功率，并進(jìn)行監(jiān)測.利用電壓定時采集設(shè)備測量超級電容兩端的電壓，計算出儲能元件儲存的電能W，所獲得的采集功率-時間(P-t)和超級電容電壓-時間(U-t)曲線如圖9所示.

圖9 MFC的U-t、P-t曲線Fig.9 Votage and power curves of the super capacitor of BQ25504 attached to MFC

由于充電方式不同，整個充電過程可分為3個區(qū)域.BQ25504在Vstore引腳電壓低于1.8 V時處于冷啟動區(qū)，采集功率低于1 mW.Vstore引腳電壓高于1.8 V后，主BOOST升壓器工作，能量采集功率迅速上升，最大可達(dá)5 mW，當(dāng)超級電容電壓達(dá)到設(shè)定的電壓上限后，充電停止，充電功率接近0.

2.4 系統(tǒng)功耗分析

2.4.1 系統(tǒng)休眠狀態(tài)損耗

休眠狀態(tài)的低損耗是系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵.對系統(tǒng)進(jìn)行休眠狀態(tài)下的功耗分析.BQ25504與MFC斷開，當(dāng)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時，記錄電容儲能隨時間的變化曲線W-t和空載功率隨時間的變化曲線P-t如圖10所示.

圖10 系統(tǒng)休眠狀態(tài)功耗特性Fig.10 Power consumption characteristics of the system in sleep mode

結(jié)果表明：

Ploss≤500 μW

(3)

式中:Pin-min為系統(tǒng)在主升壓器運行狀態(tài)下給超級電容充電的最小功率，mW.

式(3)說明：系統(tǒng)在休眠狀態(tài)下的功耗不大于500 μW，低于Pin-min=2 mW.因此，在休眠狀態(tài)下系統(tǒng)儲能元件凈吸收功率大于0 W.

2.4.2 系統(tǒng)全負(fù)荷運行狀態(tài)功耗

為確定系統(tǒng)所需的休眠時間，采用上述同樣的分析方法，對全負(fù)荷運行狀態(tài)(所有傳感器工作，無線模塊采用最大功率發(fā)送的狀態(tài))下系統(tǒng)的功耗進(jìn)行分析.結(jié)果表明：當(dāng)系統(tǒng)處于全負(fù)荷工作狀態(tài)時，系統(tǒng)功耗達(dá)到0.749 7 W，儲能元件中的能量迅速耗盡.

2.5 系統(tǒng)運行周期的確定

系統(tǒng)工作時間需要考慮系統(tǒng)從啟動到穩(wěn)定運行所需的時間和監(jiān)控需要.假設(shè)每個運行周期內(nèi)系統(tǒng)工作3 s，依此計算運行周期.一個周期內(nèi)工作狀態(tài)下消耗的能量計算如下：

Wwork=Pworktwork≤2.25 J,

(4)

式中:Wwork為系統(tǒng)工作時間內(nèi)消耗的總能量，J；Pwork為系統(tǒng)工作狀態(tài)的功率，W；twork為系統(tǒng)在一個周期中工作狀態(tài)持續(xù)的時間，s.

要保證系統(tǒng)在休眠時間內(nèi)采集足夠的能量Wget補充工作狀態(tài)消耗的能量Wwork，系統(tǒng)休眠狀態(tài)下儲存的能量計算如下：

Wget=(Pin-Ploss)tsleep≥Wwork,

(5)

式中:tsleep為在一個周期中的休眠時間，s.

因此，休眠時間為：

tsleep≥762 s.

(6)

以上計算表明在保證休眠時間大于762 s時，系統(tǒng)可持續(xù)穩(wěn)定運行，對污水管道進(jìn)行間斷性監(jiān)控測量.

2.6 系統(tǒng)正常運行測試

靜態(tài)環(huán)境下(MFC電壓達(dá)到穩(wěn)定后)進(jìn)行系統(tǒng)實際運行測試，設(shè)定休眠時間為1 000 s,工作時間為2.6 s.

圖11為3個周期的儲能元件W-t曲線.每一個周期中，W-t曲線可以分為3個工作區(qū).在負(fù)載接通及能量補充區(qū)間中，系統(tǒng)首先進(jìn)入工作狀態(tài)，持續(xù)2.6 s，儲能元件的儲能從約29.5 J降至26.5 J，隨后進(jìn)入休眠狀態(tài)，儲能增加，在500 s內(nèi)完成了能量的補充，再進(jìn)入電量充滿區(qū).在電量充滿區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)仍處于休眠狀態(tài)，但此時超級電容的電壓接近上限，其儲能保持在最大值，直到下一個工作狀態(tài)到來.

圖11 實際正常運行測試儲能元件W-t曲線Fig.11 W-t curve of energy storage element in normal working state

實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能在休眠狀態(tài)補充工作狀態(tài)消耗的能量，實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定運行.

3 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種利用MFC發(fā)電的排水管道監(jiān)控系統(tǒng).一般的城市排水管道中污水的COD濃度在100～1 000 mg/L范圍內(nèi)，此范圍內(nèi)，COD的波動對MFC產(chǎn)電的影響不大，MFC在4～35 ℃的溫度范圍內(nèi)皆可正常工作.其次，氨氮和總氨對MFC的影響較小，MFC在污水環(huán)境中運行有助于脫氮和脫氨.所以排水管道中的污水環(huán)境能滿足MFC正常工作的原料和環(huán)境需求.通過將污水中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，結(jié)合低功耗能量管理方案實現(xiàn)了對排水管網(wǎng)的監(jiān)測.該系統(tǒng)無需更換電池或是從電網(wǎng)引接電線，降低了維護(hù)成本和廢舊電池帶來的污染，為“智能水網(wǎng)”的實現(xiàn)提供了能量來源方面的支持.

[1] 何嘉莉.城市內(nèi)澇在線監(jiān)控與信息服務(wù)數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計及監(jiān)測點優(yōu)化布置研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院, 2014.

[2] DU Z, LI H, GU T. A state of the art review on microbial fuel cells: a promising technology for wastewater treatment and bioenergy[J]. Biotechnology advances, 2007,25(5):464-482.

[3] LEE Y, OA S W. High speed municipal sewage treatment in microbial fuel cell integrated with anaerobic membrane filtration system[J].Water science and technology, 2014,69(12):2548-2553.

[4] JIANG J, ZHAO Q, ZHANG J, et al. Electricity generation from bio-treatment of sewage sludge with microbial fuel cell[J]. Bioresource technology, 2009,100(23):5808-5812.

[5] RODRIGO M A, CANIZARES P,LOBATO J, et al. Production of electricity from the treatment of urban waste water using a microbial fuel cell[J]. Journal of power sources, 2007,169(1):198-204.

[6] 陳東升. 基于GPRS的下水道氣體遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機測量與控制, 2014,22(12):3932-3934.

[7] 包亮,王里奧,陳萌,等.基于GPRS的市政下水道氣體安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[J].中國給水排水,2009, 25(15):39-42.

[8] 潘彬,孫丹,劉偉鳳,等.碳纖維陽極構(gòu)造對微生物燃料電池性能的影響[J].化工學(xué)報,2014, 65(8):3250-3254.

[9] 黃建洪.城市生活排水系統(tǒng)廢氣產(chǎn)排污系數(shù)核算研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院， 2013.

[10] 劉杰,李開宇,丁豪杰,等.基于太陽能供電的森林環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2016,35(2):57-62.

[11] 鐘政.微電能量收集技術(shù)及發(fā)展概況[J].內(nèi)江科技,2014(5):123-123.

[12] 朱俊杰,李美成.無線傳感器微能源自供電技術(shù)研究[J]. 可再生能源, 2012,30(11):55-60.

[13] 楊維劍,王梅英.無線網(wǎng)絡(luò)傳感器中超低功耗節(jié)點能源技術(shù)研究[J]. 四川理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2010, 23(1):44-47.

[14] 莫冰,黃榮海,趙峰,等.微生物燃料電池的電能采集系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程,2013,21(7):1707-1712.