摘要：本文概述了微生物燃料電池對各種廢水的治理情況，分析其對不同廢水的治理效果，以及其存在優(yōu)缺點，最終提出相應(yīng)的看法和建議。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池;廢水處理;陽極;陰極

中圖分類號：X53 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）09-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.033

Research progress of microbial fuel cells in the field of water pollution control

Zhang Lei

（Jiangsu Lanlian Environmental Technology Co.，Ltd.，Changzhou Jiangsu 213000，China）

Abstract：This article outlines the treatment of various wastewaters by microbial fuel cells，analyzes their effects on different wastewaters， and their advantages and disadvantages. Finally put forward corresponding views and suggestions.

Key words：Microbial fuel cell;Wastewater treatment;Anode;Cathode

1 微生物燃料電池簡介

1.1 微生物燃料電池構(gòu)造及原理

微生物燃料電池（MFC）是一種能同時實現(xiàn)廢水治理與產(chǎn)電的新型技術(shù)[1]。其通過MFC陽極的微生物作催化劑，將廢水中有機污染物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。傳統(tǒng)MFC由陽極室和陰極室組成，兩室之間通過質(zhì)子交換膜（PEM）相隔。其主要原理是以陽極微生物作催化劑氧化底物（如葡萄糖、乙酸鈉等），產(chǎn)生電子、質(zhì)子和二氧化碳。電子通過介體傳遞到陽極（負極）極板，并通過外電路負載到達陰極，質(zhì)子通過PEM由陽極到達陰極，氧化劑（以O(shè)2為例）在陰極得到電子而 被還原，從而形成回路，產(chǎn)生電流（其工作原理見圖1）。

陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)分別為：

陽極反應(yīng)： C6H12O6+6H2O→6CO2+24e-+24H+ （1）

陰極反應(yīng)： 6O2+24e-+24H+→12H2O （2）

1.2 微生物燃料電池的分類

微生物燃料電池的分類具有多樣性。按照其構(gòu)型分類主要有雙室和單室MFC，雙室MFC包括陽極和陰極，中間以質(zhì)子交換膜隔絕開，單室MFC是將陰極和質(zhì)子交換膜整合在一起。按照電子傳遞機制分類主要有直接型和間接型MFC，陽極產(chǎn)電微生物能直接自主地將電子轉(zhuǎn)移到陽極電極上的屬于直接型MFC，需要添加電子介體實現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移的屬間接型MFC。按照陽極有機底物可以分為沉積型、光能自養(yǎng)型和優(yōu)能異養(yǎng)型MFC。

2 微生物燃料電池處理廢水研究進展

2.1 陽極處理廢水

MFC作為能同時實現(xiàn)廢水處理和產(chǎn)電的裝置。其對廢水的降解一般是通過陽極產(chǎn)電微生物的代謝作用。近年來，已有大量學(xué)者將MFC應(yīng)用于染料廢水、焦化廢水、垃圾滲濾液等諸多工業(yè)廢水的污染治理中。

2.1.1 染料廢水

現(xiàn)有研究表明，MFC在染料廢水治理方面的研究效果相對較為顯著，對染料廢水表現(xiàn)出不俗的脫色效果和產(chǎn)電性能。MFC能有效處理活性艷泓X-3B、剛果紅、甲基橙、酸性橙7等諸多染料。Li等[2]研究發(fā)現(xiàn)，以碳氈作陽極和陰極材料的雙室MFC對甲基橙和酸性橙7的降解率能達到99%，MFC電壓最大能達到250mV。

2.1.2 焦化廢水

有研究報道，MFC能有效處理焦化廢水（COD=2000mg/L），最大電壓能穩(wěn)定在370mV左右。能實現(xiàn)含硫、含氮、酚類、環(huán)狀、烷烴類污染物的降解。

2.1.3 垃圾滲濾液

相對于其他工業(yè)廢水，垃圾滲濾液成分相對復(fù)雜且含有大量的有機物，其廢水COD較高，可生化性較差。You等[3]首次將垃圾滲濾液作陽極底物，利用MFC處理垃圾滲濾液并產(chǎn)生電能。其研究表明，MFC對垃圾滲濾液的處理效率能達到98%，功率密度能達到6.8W/m2。隨后諸多學(xué)者展開研究發(fā)現(xiàn)，MFC對垃圾滲濾液的處理，運行時間最優(yōu)為10～12d，對BOD和NH3-N的降解率分別能達到98%和89%左右。

可見，MFC陽極對多種工業(yè)廢水均存在較好的處理效果，且能夠穩(wěn)定運行和產(chǎn)電。然而MFC陽極處理工業(yè)廢水時，也存在一定的限制性因素。譬如，受到陽極微生物活性的影響較大，當(dāng)廢水中含有的有毒有害物質(zhì)濃度過高時，會破壞微生物活性，導(dǎo)致降解率下降。

2.2 陰極處理廢水

MFC陰極對燃料廢水的處理，主要是通過MFC陽極底物被微生物降解所產(chǎn)生的電子被傳遞到陰極后。一方面，電子直接被陰極的污染物接受，部分污染物則直接被還原處理;另一方面，電子被氧氣接受后產(chǎn)生H2O2，H2O2自身具有一定的氧化性，對有機物存在少量的氧化降解作用。同時通過外投Fe2+的方式，F(xiàn)e2+能和H2O2生成具有強氧化性的羥基自由基（·OH），從而實現(xiàn)對污染物的氧化降解。

2.2.1 還原降解

MFC陰極的還原降解一般應(yīng)用于對染料廢水治理方面。在陰極厭氧環(huán)境下，染料作為電子受體與陽極傳遞來的質(zhì)子、電子結(jié)合，發(fā)生還原反應(yīng)。染料被還原后發(fā)色基團發(fā)生斷裂，實現(xiàn)脫色。崔旸等[4]研究發(fā)現(xiàn)，以硫化菌作為產(chǎn)電微生物，甲基橙作電子受體時，雙室MFC能實現(xiàn)對甲基橙的完全脫色。Oon等[5]以不同的偶氮染料（新胭脂紅、酸性橙7、活性紅120、活性綠19）作MFC陰極電子受體，研究染料結(jié)構(gòu)對MFC還原降解的影響。結(jié)果表明，新胭脂紅降解率最佳，為（95.5±1.1）%;酸性橙7次之，為（94.9±0.9）%，活性紅120和活性綠19降解率分別為（78.5±7.2）%、（81.7±1.2）%。

2.2.2 氧化降解

MFC陰極的氧化降解一般是MFC和芬頓氧化技術(shù)的耦合（MFC-Fenton體系），其通過陰極氧氣作電子受體接受電子產(chǎn)生H2O2，外投Fe2+后，F(xiàn)e2+和H2O2生成羥基自由基（·OH）?！H作為一種強氧化性物質(zhì)，其氧化還原電位能達到2.8V，對絕大多數(shù)污染物均有較好的降解。

Fu等[6]分別以Fe2+、Fe3+作為芬頓試劑加入MFC陰極，降解目標(biāo)污染物莧菜紅。結(jié)果表明，以1mmol/L Fe2+作芬頓試劑，1h內(nèi)可以完全降解。以Fe3+作芬頓試劑，F(xiàn)e3+會在MFC陰極被還原成Fe2+，F(xiàn)e2+與MFC原位生成的H2O2反應(yīng)，1h內(nèi)莧菜紅降解率達到76.4%。

研究者[7]通過比較褐鐵礦、磁鐵礦和赤鐵礦3種鐵礦粉投加到MFC-Fenton體系中，對模擬廢水中的橙Ⅱ染料的效果。結(jié)果表明，3種鐵礦均能夠催化形成生物電芬頓體系，其中褐鐵礦的催化效果最好，2.5h橙Ⅱ染料的去除率可達到98%以上。向50mL陰極體系中投加0.1g褐鐵礦，可以維持體系在較高的氧化效率下連續(xù)運行20個周期，且沒有殘渣產(chǎn)生。

目前MFC陰極對廢水的處理一般包括還原和氧化兩種途徑，其中還原降解存在以下弊端：當(dāng)陰極污染物（一般為染料）被還原后，分子結(jié)果被破壞，大分子有機污染物被將降解成小分子污染物，但是小分子污染物無法繼續(xù)被還原降解完全成無機物質(zhì)。而MFC-Fenton技術(shù)通過原位生成H2O2，外投金屬離子的方式生成·OH，能有效降解偶氮染料。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，具有能耗低、二次污染小、效率高等優(yōu)點。

3 結(jié)語

微生物燃料電池作為一種新型技術(shù)能有效降解有機污染物并產(chǎn)生電能，且不會產(chǎn)生二次污染。其中MFC陰極耦合芬頓氧化的技術(shù)受限制因素小，具有較好的應(yīng)用前景。通過繼續(xù)研究，增強污染物處理效率及產(chǎn)電性，縮小處理成本，對水環(huán)境污染治理具有較好的實際意義。

參考文獻

[1]關(guān)毅，張鑫，等.微生物燃料電池[J].化學(xué)進展，2007，19（1）：74-79.

[2]LI Z，Zhang X，Lin J，et al. Azo dye treatment with simultaneous electricity production in an anaerobic–aerobic sequential reactor and microbial fuel cell coupled system[J].Bioresosurce Technology，2010，101（12）：4440-4445.

[3]YOU S，ZHAO Q，JIANG J，ZHANG J，ZHAO S.Sustainable approach fur leachate treatment：Electricity generation in microbial fuel cell [J].J Environ Sci Heal A，2006，4l（12）：272l-2734.

[4]崔旸，蘇文濤，高平，等.還原性硫化物微生物燃料電池偶聯(lián)偶氮染料降解[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2012，18（6）：978-982.

[5]OON Y S， ONG S A，HO L N，et al.Microbial fuel cell operation using monoazo and diazo dyes as terminal electron acceptor for simultaneous decolourisation and bioelectricity generation[J].Journal of Hazardous Materials，2017，325（5） ： 170-177.

[6]FU L，YOU S J，ZHANG G Q，et al.Degradation of azo dyes using in-situ Fenton reaction incorporated into H2O2-producing microbial fuel cell.Chemical Engineering Journal[J].2010，160（1） ： 164-169.

[7]陶虎春，丁輝，等.應(yīng)用天然褐鐵礦催化生物電芬頓體系氧化橙Ⅱ染料[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2014，22（4）：625-633.

收稿日期：2020-07-27

作者簡介：張磊（1982-），漢族，碩士，中級工程師，研究方向為工業(yè)水處理、環(huán)境影響評價等。