高秀紅，劉子明，曹玲，王鑫

(1.吉林省高校環(huán)境材料與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 四平 136001；2.吉林師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 四平 136001；3.吉林工程職業(yè)學(xué)院 生物工程學(xué)院，吉林 四平 136000)

微生物燃料電池[1](MFC)是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰哭D(zhuǎn)換裝置。目前全球能源供需矛盾日益明顯，世界各國(guó)均在積極推動(dòng)新能源[2]和可再生能源[3]的發(fā)展?；诖?，研究者提出在去除污染物的同時(shí)又回收能源[4-5]的想法，將MFC與各種污水生物處理工藝[6-7]相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)“除污-產(chǎn)能”一體化。本研究在構(gòu)建了序批式A/O-MFC耦合工藝的基礎(chǔ)上，以垃圾滲濾液為底物，考察A/O-MFC的產(chǎn)電性能和除污效果，以期為“污-廢水”能源回收技術(shù)研究提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料來(lái)源

接種污泥取自四平市城市污水處理廠二沉池，呈漿狀。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1，采用雙室MFC，陰、陽(yáng)兩極室為圓柱形有機(jī)玻璃瓶，有效容積250 mL(總?cè)莘e300 mL)，均置于(30±1) ℃的恒溫水浴鍋內(nèi)。陰、陽(yáng)極均為4 cm×5 cm×1 mm的不銹鋼板材料，使用前用砂紙打磨，垂直懸浮于兩極室內(nèi)。兩極板由銅絲相連，外接1 000 Ω負(fù)載電阻。

圖1 A/O-MFC結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 裝置接種、啟動(dòng)與運(yùn)行

本研究構(gòu)建A/O雙室MFC裝置，陰、陽(yáng)兩極室分別接種適量二沉池污泥。為了縮短微生物馴化周期及提高M(jìn)FC性能，在陽(yáng)極室加入實(shí)驗(yàn)室前期已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行一年以上的MFC滲濾液混合液30 mL，然后再將原垃圾滲濾液稀釋3倍后加至陽(yáng)極，至有效體積為250 mL。啟動(dòng)時(shí)，陽(yáng)極為厭氧室(A池)，由膠塞密封以維持厭氧狀態(tài)，經(jīng)由穿孔口進(jìn)樣或采樣；陰極為好氧室(O池)，加入稀釋3倍后的滲濾液至250 mL，通過(guò)曝氣設(shè)備持續(xù)通入空氣，溶解氧濃度維持在(4.10±0.51)mg/L。兩極室經(jīng)由鹽橋相連，當(dāng)輸出電壓>50 mV，認(rèn)為啟動(dòng)成功。

序批式A/O-MFC分3個(gè)階段運(yùn)行。每階段陽(yáng)極室初始滲濾液濃度相同，陰極則加入不同濃度的滲濾液，每階段內(nèi)重復(fù)運(yùn)行多個(gè)周期。當(dāng)輸出電壓發(fā)生急劇下降時(shí)認(rèn)為裝置內(nèi)有機(jī)物濃度不能使產(chǎn)電微生物持續(xù)高效產(chǎn)電，進(jìn)而取樣測(cè)定COD、氨氮值作為該周期的終點(diǎn)。此后，立即向陰、陽(yáng)極室分別加入一定量的原垃圾滲濾液，使COD初始濃度接近每一階段的初始濃度值，每次加入后立即取樣測(cè)定COD、氨氮值記為該周期的初始濃度。

1.4 分析方法

極化曲線通過(guò)穩(wěn)態(tài)放電法測(cè)定[11]，電流密度(I)和功率密度(P)計(jì)算過(guò)程如公式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

式中A——陽(yáng)極電極有效表面積，m2；

R——外接電阻阻值，Ω；

I——電流密度，A/m2；

P——功率密度，mW/m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 COD去除效果分析

序批式A/O-MFC分3個(gè)階段運(yùn)行，第1階段運(yùn)行3個(gè)周期，第2、3個(gè)階段各運(yùn)行4個(gè)周期。每階段陰、陽(yáng)極COD濃度變化情況見(jiàn)圖2。為增加可比性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制每個(gè)運(yùn)行階段陽(yáng)極室中所加入的垃圾滲濾液進(jìn)水COD濃度基本維持不變，平均為1 252.0 mg/L；陰極室中垃圾滲濾液的量則按低、中、高3個(gè)梯度依次增加，COD濃度平均分別為709.1，1 215.6，2 100.6 mg/L。

圖2 陰、陽(yáng)極COD濃度變化情況

由圖2可知，在陽(yáng)極液相同的條件下，MFC兩極的COD的去除率均隨陰極滲濾液濃度的增加而增大。陰極COD去除率分別為52.35%，69.02%和80.68%，第2，3階段比第1階段去除率分別提高31.84%和54.11%；陽(yáng)極COD去除率提高百分比分別44.28%，54.76%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，A/O-MFC陰極COD去除效果明顯好于陽(yáng)極，原因可能在于陰、陽(yáng)兩極分別為好氧、厭氧池，陰極持續(xù)曝氣，一方面在氣流的混合攪拌作用下使陰極室內(nèi)均質(zhì)性效果較好，微生物可與污染物質(zhì)充分接觸，同時(shí)也為好氧微生物提供了充足溶解氧；另一方面較高濃度的垃圾滲濾液為好氧微生物提供較多的碳、氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使微生物新陳代謝能力增強(qiáng)[12]，進(jìn)而有利于COD的去除。

表1 A/O-MFC對(duì)的去除率

由表1可知，其變化趨勢(shì)與COD類似，氨氮的去除也隨陰極室滲濾液濃度的增加而增加，且陰極室處理效果明顯好于陽(yáng)極室。各階段陰極室氨氮去除率平均分別為47.11%，69.02%和79.40%，而陽(yáng)極室去除率最大僅為54.90%。A/O-MFC體系中陰極為好氧環(huán)境，發(fā)生硝化反應(yīng)，微生物將氨氮氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽等，進(jìn)而作為電子受體接受電子還原為N2釋放，氨氮去除率較高；陽(yáng)極的厭氧微生物在新陳代謝過(guò)程中將氨氮作為氮源利用，抑或是發(fā)生厭氧氨氧化[13]作用實(shí)現(xiàn)氮的脫出，且陽(yáng)極液為活性污泥、垃圾滲濾液的混合懸浮液，陽(yáng)極室未進(jìn)行攪拌，隨著微生物的不斷繁殖，活性污泥絮體結(jié)構(gòu)不斷增大，使部分微生物沉降在陽(yáng)極室底部，導(dǎo)致陽(yáng)極液均質(zhì)性效果較差，從而降低了厭氧微生物與污染物的接觸機(jī)會(huì)，導(dǎo)致氨氮去除效果降低。同時(shí)，厭氧微生物的世代時(shí)間明顯長(zhǎng)于好氧微生物，這也是導(dǎo)致陽(yáng)極室除污效果較低的可能因素之一。

2.3 A/O-MFC輸出電壓

各階段MFC的輸出電壓隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖3。

圖3 MFC的輸出電壓隨時(shí)間變化情況

由圖3可知，輸出電壓在每周期開(kāi)始時(shí)先迅速升高，并在較高數(shù)值范圍內(nèi)維持脈沖式波動(dòng)狀態(tài)，而后急劇下降至該周期結(jié)束，進(jìn)而需重新添加垃圾滲濾液(見(jiàn)圖中箭頭)開(kāi)始新的周期。MFC的輸出電壓隨陰極滲濾液濃度的增加而增大，高效脈沖波動(dòng)幅度隨滲濾液濃度增加而減緩，意味著高效產(chǎn)電時(shí)長(zhǎng)增加。第1，2，3階段內(nèi)每個(gè)周期最大電壓的平均值分別為379.5，540.6，880.4 mV。序批式A/O-MFC的每個(gè)運(yùn)行周期末期當(dāng)輸出電壓處于急劇下降時(shí)，向陰、陽(yáng)極室補(bǔ)給垃圾滲濾液后，輸出電壓均能驟然迅速抬升，可見(jiàn)MFC內(nèi)的產(chǎn)電微生物群落生命活力較強(qiáng)，能迅速適應(yīng)環(huán)境，持續(xù)高效輸出電能。有研究表明，MFC輸出電壓隨時(shí)間呈現(xiàn)的類似脈沖波動(dòng)現(xiàn)象是混合液中微生物種群相互競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同作用[14]的結(jié)果，進(jìn)而促進(jìn)微生物產(chǎn)電；脈沖波動(dòng)幅度減緩表明體系內(nèi)產(chǎn)電微生物種群多樣性更趨于均衡，可能是MFC體系內(nèi)產(chǎn)電微生物演化呈豐度較高的微生物種群[15]。鑒于垃圾滲濾液成分復(fù)雜，COD、氨氮含量較高，因此高濃度的垃圾滲濾液可為產(chǎn)電微生物提供較多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)微生物新陳代謝功能，利于產(chǎn)電。

2.4 A/O-MFC極化曲線

A/O-MFC穩(wěn)定運(yùn)行階段的極化曲線、功率密度和電流密度關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 極化曲線、功率密度和電流密度關(guān)系

由圖4可知，3個(gè)階段的功率密度呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大功率密度分別0.030，0.096，0.129 W/M2，第3階段A/O-MFC體系的功率密度分別是前兩個(gè)階段4.30，1.34倍；獲得的開(kāi)路電壓分別為0.574，1.048，1.288 V。可見(jiàn)，微生物燃料電池產(chǎn)電能力隨陰極滲濾液濃度的增加而增大。由于電池內(nèi)阻隨電流增加而不斷極化，經(jīng)計(jì)算得每階段的內(nèi)阻分別為1 339.97，1 466.15，1 767.66 Ω，可見(jiàn)，內(nèi)阻也隨滲濾液濃度增加而增大，高濃度垃圾滲濾液在為微生物提供豐富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)也使體系內(nèi)金屬離子含量增大，有利于電池的電化學(xué)反應(yīng)，但隨著可生化降解有機(jī)物的濃度降低，惰性組分不斷在體系內(nèi)積累導(dǎo)致MFC內(nèi)阻增加。第2，3階段處理滲濾液COD污染負(fù)荷分別比第1階段增加71.4%，196.2%，而MFC內(nèi)阻僅增加9.4%，31.9%，因此從總體來(lái)講，處理高濃度垃圾滲濾液的A/O-MFC的除污-產(chǎn)電性能最好。

3 結(jié)論

(1)MFC兩極的COD、氨氮的去除率均隨陰極滲濾液濃度的增加而增大，且陰極室去除效果明顯好于陽(yáng)極室。陰極COD去除率分別為52.35%，69.02%和80.68%。

(2)每階段陰極室氨氮去除率平均分別為47.11%，69.02%和79.4%。MFC輸出電壓隨陰極滲濾液濃度的增加而增大，高效脈沖波動(dòng)幅度隨滲濾液濃度增加而減緩。

(3)第1，2，3階段每隔周期最大電壓的平均值分別為379.5，540.6，880.4 mV，最大功率密度分別0.030，0.096，0.129 W/M2。第3階段功率密度分別是前兩個(gè)階段4.30，1.34倍。

序批式A/O-MFC處理高濃度垃圾滲濾液的除污-產(chǎn)電性能較好，可見(jiàn)，將MFC與污水生物處理工藝相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)“除污-產(chǎn)能”一體化。