寧曉芬 石玉翠 楊畦 楊笑宇

摘要：指出了隨著重金屬鉻的危害日趨嚴(yán)重，MFC-CW作為一種在有效處理重金屬鉻的同時(shí)又能產(chǎn)生電能的新型污水處理工藝，越來(lái)越受到大家的關(guān)注。從電極材料、膜材料、水力停留時(shí)間、有機(jī)負(fù)荷及污水成分、產(chǎn)電微生物和濕地植物等6個(gè)方面介紹了國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，并對(duì)之后的研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：MFC-CW處理工藝;重金屬鉻;人工濕地;微生物燃料電池

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）16—0163-02

1引言

鉻的主要化合價(jià)為Cr³⁺和Cr⁶⁺Cr³⁺毒性較小，可以很容易地從溶液中沉淀出來(lái)，并且是人體所必須的微量元素之一。與此相反Cr⁶⁺由于其毒性和流動(dòng)性而特別受環(huán)境影響，并且難以從工業(yè)廢水中除去。它是一種強(qiáng)氧化劑，具有致癌性和致突變性，可在土壤和水生環(huán)境中快速擴(kuò)散。它不會(huì)在水溶液中形成不溶性化合物，因此通過(guò)沉淀分離是不可行的。從而如何驅(qū)動(dòng)Cr（Ⅵ）向Cr（Ⅲ）的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化成了人們關(guān)注的重點(diǎn)。

MFC-CW（MicroKalfuelcell-constructed wetland.微生物燃料電池一人工濕地耦合系統(tǒng)）是將微生物燃料電池和人工濕地相結(jié)合的一種新型污水處理工藝，該工藝可以邊處理污水邊產(chǎn)生電能。MFC是通過(guò)微生物降解污水中的有機(jī)物來(lái)產(chǎn)生電能，CW是通過(guò)微生物降解污水中的有機(jī)物來(lái)凈化污水，從而微生物就為CW和MFC的耦合提供了一個(gè)基礎(chǔ)。

2國(guó)內(nèi)外MFC-CW的研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，微生物燃料電池與人工濕地相耦合得到越來(lái)越多的關(guān)注。通過(guò)填充具有導(dǎo)電性質(zhì)的碳質(zhì)填料，可把人工濕地演變?yōu)橐环N短路狀態(tài)的微生物燃料電池。此時(shí)，人工濕地床體底部（ORP較低）作為微生物燃料電池的陽(yáng)極，水中的有機(jī)物在此降解，降解過(guò)程釋放的電子沿著導(dǎo)電填料向上傳輸至床體表層（ORP較高）的生物陰極，在此，Cr（Ⅵ）作為電子受體還原成Cr（Ⅲ）。MFC-CW的產(chǎn)電及污水凈化性能與電極材料、膜材料、水力停留時(shí)間、有機(jī)負(fù)荷及污水成分、產(chǎn)電微生物和濕地植物等有密切關(guān)系。

2.1電極材料

通常電極材料的選取對(duì)導(dǎo)電性能著極高的要求，而電極材料的比表面積、電導(dǎo)率、內(nèi)阻等都會(huì)影響其導(dǎo)電性能。一般研究者會(huì)采用炭和石墨作為電極材料，雖然比金屬電極的導(dǎo)電性能略差，但其孔隙率和比表面積較高，可為微生物提供良好的生存環(huán)境，從而提高整個(gè)MFC-CW系統(tǒng)的產(chǎn)電能力和凈化能力。而且其廉價(jià)易得，目前大部分的工程實(shí)踐中都采用炭和石墨作為一個(gè)電極材料。Lei等1研究中發(fā)現(xiàn)將ACG-SSM復(fù)合電極嵌入CW-MFC基質(zhì)中可以明顯提高對(duì)有機(jī)污染物的去除率并獲得較大的電能輸出。因此以復(fù)合材料為電極材料可能將成為今后的一種發(fā)展方向。

2.2膜材料

大多數(shù)CW-MFC有一層膜結(jié)構(gòu)作為分隔層來(lái)人為分隔陰陽(yáng)兩極，目前已有的研究CW-MFC中使用的分隔材料包括玻璃纖維、礫石以及膨潤(rùn)土。但膜材料成本較高，所以近年來(lái)無(wú)膜MFC逐漸成為新的趨勢(shì)。有膜存在時(shí)，它可以作為一個(gè)物理屏障，阻止氧氣的擴(kuò)散，幫助更好地形成分明的陰陽(yáng)兩極;無(wú)膜可以有效避免兩極pH梯度的形成。

2.3水力停留時(shí)間

楊廣偉等得出隨著HRT的延長(zhǎng)，CW-MFC系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的時(shí)間逐漸增加，內(nèi)阻逐漸變大，功率密度逐漸減小，庫(kù)倫效率逐漸增加。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外研究人員的研究，在HRT為2～3d時(shí)，污染物的去除率最高。因而需要控制CW-MFC的HRT，使其產(chǎn)電性能處于最佳狀態(tài)。

2.4有機(jī)負(fù)荷及污水成分

CW-MFC系統(tǒng)處理污水的能力是大于單個(gè)CW或MFC的，而檢測(cè)污水處理能力的一個(gè)重要指標(biāo)就是有機(jī)負(fù)荷。微生物在陽(yáng)極分解有機(jī)物進(jìn)行生成代謝和產(chǎn)生電子，但并不是有機(jī)物濃度越高產(chǎn)電效率越好，國(guó)內(nèi)的Liu等發(fā)現(xiàn)進(jìn)水COD濃度過(guò)高，會(huì)大量消耗陰極區(qū)的溶解氧含量，使構(gòu)成完整回路所必需的參加還原反應(yīng)的氧氣含量受到限制。所以在進(jìn)行產(chǎn)電研究時(shí)，應(yīng)確保有機(jī)物濃度在最佳產(chǎn)電效果區(qū)間內(nèi)，若有機(jī)物濃度過(guò)高，可以適當(dāng)稀釋，以確保在最佳條件下來(lái)探討產(chǎn)電性能。

2.5產(chǎn)電微生物

產(chǎn)電微生物是微生物燃料電池工作系統(tǒng)中的重要組成部分，起到一個(gè)生物催化劑的作用。不同種類的產(chǎn)電微生物的不同電化學(xué)活性導(dǎo)致了微生物燃料電池的產(chǎn)電效果不同。許多外界因素（如電極材料、污染物種類、植物種類、季節(jié)氣候、COD濃度等）都會(huì)影響微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響產(chǎn)電。

2.6濕地植物

Corbella等研究發(fā)現(xiàn)種植濕地植物能夠大幅度增加微生物燃料電池的氧化還原電位梯度。濕地植物根際可吸收污水中少量的污染物（如N、P），同時(shí)在一定程度上提高COD去除率，還能為微生物的生長(zhǎng)提供一定的生存環(huán)境。而對(duì)于處理重金屬鉻污水來(lái)說(shuō)，具有超富集特性的李氏禾是最適合的濕地植物之一。

3展望

CW-MFC耦合系統(tǒng)在高效高效處理污水的同時(shí)還能產(chǎn)生電能，在社會(huì)上受到越來(lái)越多的重視?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化電極材料、膜材料、水力停留時(shí)間、有機(jī)負(fù)荷及污水成分、產(chǎn)電微生物和濕地植物等方法來(lái)不斷改善產(chǎn)電和去污能力。使CW-MFC在實(shí)際生產(chǎn)中能發(fā)揮重要的作用，緩解社會(huì)面臨的水體污染和能源短缺兩大核心問(wèn)題。