劉婷婷，徐大勇，王璐，楊偉偉，夏宇揚(yáng)

（安徽工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

污泥是污水生物處理過程的副產(chǎn)物，含有重金屬是污泥的重要特征，有數(shù)據(jù)顯示在污水處理過程有60%～90%的重金屬以各種物理化學(xué)和生物過程固定在污泥中[1]。重金屬在污泥中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有時(shí)高達(dá)污泥干重的0.5%～2%，在某些情況甚至高達(dá)6%，如污泥中Zn 和Ni 的含量可達(dá)2032mg/kg 和621mg/kg，遠(yuǎn)高于相關(guān)農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)[2]，已成為污泥處理及其資源化利用的重要障礙。重金屬由于其毒性、不可生物降解性和生物蓄積性，對(duì)環(huán)境和公眾健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此污泥重金屬的處理在世界范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注[3]。常規(guī)污泥重金屬處理方法有生物浸出[4]、電動(dòng)修復(fù)[5]、吸附法[6]等，這些方法雖能有效地去除污泥重金屬，但存在材料及運(yùn)行維護(hù)成本高、操作復(fù)雜及二次污染等缺陷[7]。因此，構(gòu)建環(huán)境友好型的污泥重金屬處理方法具有迫切的需求。

人工濕地（CW）技術(shù)因其具有工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)成本低及環(huán)境友好的特點(diǎn)，在污泥及其重金屬處理方面具有廣泛的應(yīng)用前景[8]。污泥干化蘆葦床或污泥干化濕地是其中的典型代表，已經(jīng)成功運(yùn)行20～30年，在污泥及其重金屬的處理上取得了良好的效果[9-11]。值得注意的是，人工濕地處理污泥及其重金屬過程，高濃度的污泥有機(jī)物沒有充分利用并增加了濕地運(yùn)行負(fù)荷。事實(shí)上，人工濕地尤其是垂直流人工濕地系統(tǒng)內(nèi)部存在一定的氧化還原梯度，運(yùn)用微生物燃料電池（MFC）工作原理可將CW 改造成人工濕地微生物燃料電池（CW-MFC），從而達(dá)到強(qiáng)化CW去除污染物的同時(shí)充分利用有機(jī)物并產(chǎn)能的目標(biāo)[12]。

MFC 是一種通過微生物催化氧化有機(jī)物并產(chǎn)生電能的系統(tǒng)，對(duì)廢水中重金屬處理具有巨大的潛力[13-14]，如Habibul等[15]研究發(fā)現(xiàn)MFC對(duì)重金屬Cr(Ⅵ)的去除率可達(dá)99.0%，Wu 等[16]研究沉積物MFC 的運(yùn)行對(duì)Hg(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Ag(Ⅰ)的最高去除率分別為97.3%、87.7%和98.5%。因此，結(jié)合了CW 和MFC 優(yōu)勢(shì)的CW-MFC 系統(tǒng)在廢水重金屬處理及其產(chǎn)能的研究受到廣泛關(guān)注[17]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了較多CW-MFC 對(duì)廢水中重金屬的去除效果及其產(chǎn)電性能研究，并取得了豐碩的成果[18]。Zhao等[19]研究對(duì)比Pb(Ⅱ)的存在對(duì)CW-MFC 系統(tǒng)的影響，證明在Pb 的存在下CW-MFC 系統(tǒng)對(duì)含Pb(Ⅱ)廢水的去除率為84.86%，Wang 等[20]研究CW-MFC系統(tǒng)對(duì)含Zn(Ⅱ)廢水的平均去除率可達(dá)98.56%。但遺憾的是利用MFC 處理污泥重金屬較少，尤其是元素Zn和Ni。目前，利用CW-MFC 對(duì)污泥重金屬去除的研究未見報(bào)道，對(duì)于處理污泥重金屬的CW-MFC 如何構(gòu)建，以及電極間距對(duì)CW-MFC 處理污泥重金屬系統(tǒng)的性能影響也還未知。

電極間距是CW-MFC 功率輸出的關(guān)鍵因素，在一定范圍內(nèi)，不同的電極間距會(huì)改變?nèi)芤褐匈|(zhì)子的傳遞距離，從而影響體系內(nèi)阻和輸出功率[21]。胡金鳳等[22]研究不同電極間距對(duì)產(chǎn)電性能及底物中污染物的去除效果，結(jié)果表明電極間距的變化對(duì)電池去除老齡垃圾滲濾液中化學(xué)需氧量（COD）有較大的影響，最高去除率達(dá)34.9%。Doherty等[23]研究發(fā)現(xiàn)電極間距較大時(shí)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較高的內(nèi)電阻，優(yōu)化電極間距后CW-MFC 對(duì)廢水中有機(jī)物的去除率可以達(dá)到70%，說明電極間距是優(yōu)化CW-MFC 重要的參數(shù)。

基于此，本研究的目標(biāo)是：①構(gòu)建CW-MFC系統(tǒng)用于污泥重金屬Zn 和Ni 的處理；②考察電極間距對(duì)CW-MFC 處理Zn 和Ni 效果影響，以及Zn和Ni 在CW-MFC 系統(tǒng)中的遷移規(guī)律；③分析電極間距對(duì)CW-MFC 產(chǎn)電性能的影響。本研究將為CW-MFC 的優(yōu)化構(gòu)建和城市污泥的處置及資源化利用提供新的思路和借鑒，在實(shí)現(xiàn)污泥重金屬處理和污泥資源化上具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)待處理污泥取自蕪湖市某污水處理廠二沉池和蕪湖市某企業(yè)污水處理廠未經(jīng)脫水的污泥，按體積比1∶1混合后其初始特征如表1所示。

CW-MFC 陽極的接種污泥取自蕪湖市某污水處理廠二沉池，靜置30min 后，取60mL 上清液倒入100mL 的西林瓶中通入氮?dú)夂竺芊?，加?g C6H12O6、0.1g NH4Cl 和0.05g KH2PO4，調(diào)節(jié)pH 為7.0 左右。在37℃和120r/min 的條件下恒溫震蕩培養(yǎng)一周。期間，每隔24h用玻璃針管對(duì)其進(jìn)行產(chǎn)氣量的監(jiān)測(cè)。

采用碳布（WOS1009）作為CW-MFC 陰陽電極材料，在使用前需進(jìn)行預(yù)處理去除表面雜質(zhì)和重金屬離子：首先在質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為10%的硝酸和硫酸溶液按質(zhì)量比為3∶1配置的混合溶液中浸泡4h，后用錫箔紙密封后浸泡4h 作親水處理，完成后再用去離子水反復(fù)沖洗，最后將清洗好的碳布置于60℃烘箱中烘干備用。用銅線（BV-1，GB/T 5023.3—2008）作為連接電路，碳布和銅線連接處用環(huán)氧導(dǎo)電膠固定密封。

實(shí)驗(yàn)所用植物為水葫蘆，取自校內(nèi)景觀濕地，用水洗凈植物根部的淤泥，水培一周后備用。

1.2 CW-MFC系統(tǒng)構(gòu)建

采用有機(jī)玻璃柱（內(nèi)徑15cm，高度40cm）構(gòu)建垂直流人工濕地微生物燃料電池系統(tǒng)（CWMFC），如圖1 所示，共包括1 套傳統(tǒng)CW、1 套無植物的CW-MFC 系統(tǒng)（命名為CW-MFC-NP）和4套CW-MFC系統(tǒng)（分別命名為系統(tǒng)A、B、C、D）。這6套系統(tǒng)從裝置底部向上依次填入厚度為4cm的礫石（d=30～50mm）、10cm 的活性炭（d=3～5mm）和6cm 的細(xì)河沙（d=0.1～0.5mm）作為基質(zhì)。分別在活性炭中部和污泥層放置不銹鋼網(wǎng)，將處理好的碳布平鋪于不銹鋼網(wǎng)（內(nèi)徑14cm，孔徑10mm）上作為陽極和陰極（間距分別為12cm、15cm、18cm和20cm），陽極和陰極通過單芯銅絲與外電阻（1000Ω）連接形成閉合回路。在距離裝置底部2cm、15cm 和25cm 處沿反應(yīng)器設(shè)計(jì)3 個(gè)采樣點(diǎn)。將水葫蘆植入系統(tǒng)后，完成CW-MFC構(gòu)建。

1.3 CW-MFC系統(tǒng)的接種和運(yùn)行

CW-MFC 系統(tǒng)構(gòu)建后，先將污泥上清液和營(yíng)養(yǎng)液按體積比1∶1 混合后從濕地上方加入，使系統(tǒng)穩(wěn)定2周。營(yíng)養(yǎng)液組成如下：每升無氧去離子水中分別加入0.4717g C6H12O6、 0.9g KH2PO4、0.68g K2HPO4·3H2O、0.1g NH4Cl、0.1g CaCl2、0.1gEDTA、 0.1g MgCl2·6H2O、 0.2mg MnSO4·H2O、2.4mg CoCl2·6H2O、1mg CuCl2·2H2O、1mL FeCl2儲(chǔ)備液、5mg ZnCl2，配置一定體積的營(yíng)養(yǎng)液后鼓入N2去除溶液中的氧氣并密封保存[17]。

表1 初始污泥基本特征

圖1 CW-MFC裝置圖

系統(tǒng)穩(wěn)定后，從濕地上方進(jìn)含重金屬污泥，待污泥高出表層基質(zhì)15cm 時(shí)停止進(jìn)泥。將接種污泥通過接種口直接注入到CW-MFC 陽極，完成系統(tǒng)的接種。系統(tǒng)構(gòu)建運(yùn)行后，每隔3天監(jiān)測(cè)一次陽極液的COD，并通過添加葡萄糖保持陽極液COD 在500mg/L左右。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出電壓，并每隔4天對(duì)陽極液和污泥進(jìn)行取樣，測(cè)定陽極液pH 和污泥重金屬濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后采集植物樣品用于重金屬測(cè)定。

1.4 測(cè)定和表征

1.4.1 重金屬測(cè)定和價(jià)態(tài)分析

污泥經(jīng)烘干后稱取0.2000g 樣品，分別加入10mL 王水（HNO3·3HCl）、5mL 高氯酸（HClO4）和2mL 濃硫酸（H2SO4）消解樣品，靜置24h 后，采用COD 快速消解儀（SN-102A，青島尚德環(huán)保科技有限公司）分別在185℃和205℃下消解3h 和7h，冷卻后用0.45μm 濾膜抽濾，濾液定容至50mL，然后采用火焰原子吸收法（TAS-990，北京普析通用儀器有限公司）測(cè)定污泥消解液重金屬總量。污泥滲濾液取樣后用0.45μm濾膜抽濾后用火焰原子吸收法測(cè)定其重金屬含量。電極用10mL的王水浸泡2天，浸泡液抽濾定容后的溶液重金屬測(cè)定方法同上。植物根系和莖葉在105℃下干燥24h 并研磨成細(xì)小粉末，分別稱取0.1500g 用少量蒸餾水潤(rùn)濕后采用與污泥樣品相同的消解和重金屬測(cè)定方法。

采用日本島津AXIS NOVA 的X 射線光電子能譜（XPS）對(duì)污泥表面元素的化學(xué)形態(tài)進(jìn)行表征。

1.4.2 水質(zhì)測(cè)定

陽極COD濃度采用快速消解分光光度法（HJ/T 399—2007） 測(cè)定，氧化還原電位（oxidationreduction potential，ORP，用于反映水溶液中所有物質(zhì)表現(xiàn)出來的宏觀氧化還原性）和pH 均采用便攜式pH計(jì)（PHB-4型，上海雷磁）測(cè)定。

1.4.3 產(chǎn)電性能測(cè)定

系統(tǒng)輸出電壓由數(shù)據(jù)記錄儀（MIK-9600）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄，采用電化學(xué)工作站（上海辰華，1000C）記錄的功率密度繪制功率密度變化曲線。計(jì)算公式如式(1)～式(3)所示。同時(shí)應(yīng)用不同的外部電阻（Rex=100～10000Ω）以獲得極化曲線。

式中，I為電池電流，mA；V為系統(tǒng)輸出電壓，mV；Rex為外接電阻值，固定為1000 Ω；IA為電流密度，mA/m3；VA為陽極有效工作體積，m3；U為電路電壓，V；PA為功率密度，mW/m3；R為電路電阻，Ω。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究采用Microsoft Excel、Origin 8.5 和XPS PEAK 4.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 接種污泥產(chǎn)氣量

接種污泥產(chǎn)氣量如圖2所示。污泥產(chǎn)氣量呈現(xiàn)出隨時(shí)間的延長(zhǎng)先增后降的趨勢(shì)，說明污泥上清液初期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足，厭氧微生物快速生長(zhǎng)繁殖，產(chǎn)氣量增加；隨著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷被消耗，厭氧微生物生長(zhǎng)緩慢，代謝能力變?nèi)?，產(chǎn)氣量不斷地下降[24]。接種污泥的最高日產(chǎn)氣量可達(dá)58mL，說明接種污泥活性較好，適合于CW-MFC系統(tǒng)的接種。從圖2中可以看出，加入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的接種污泥可供微生物初期快速生長(zhǎng)需求，但僅能維持1天的高微生物活性，這間接說明待處理污泥滲濾液將不足以持續(xù)保證CW-MFC 系統(tǒng)高效運(yùn)行，需要在系統(tǒng)運(yùn)行過程加入營(yíng)養(yǎng)液以維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 厭氧污泥平均產(chǎn)氣量

2.2 電極間距對(duì)陽極pH和ORP的影響

各CW-MFC系統(tǒng)陽極液pH為6.78～7.04（表2），有利于厭氧微生物的生長(zhǎng)[25]。與傳統(tǒng)CW 處理系統(tǒng)類似，說明CW-MFC也能對(duì)陽極區(qū)pH起到一定的調(diào)節(jié)作用。

表2 各系統(tǒng)電極的pH和ORP

ORP 是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)陽極厭氧和陰極好氧的關(guān)鍵參數(shù)，影響著系統(tǒng)對(duì)污染物的去除[26]。陰陽極ORP梯度可達(dá)227mV，從表2可以看出，CW-MFC系統(tǒng)陰陽極ORP 梯度均高于CW 和CW-MFC-NP 系統(tǒng)，在間距為12cm、15cm 時(shí)，系統(tǒng)的ORP 梯度最大，分別為344mV和399mV。間距從15cm增大到20cm時(shí)，陰陽極ORP 梯度由399mV 降低到287mV，表明電極間距對(duì)ORP具有明顯的影響作用[27]，同時(shí)也說明濕地植物的存在可以保證陰極維持較高的氧化還原電位。

2.3 電極間距對(duì)污泥重金屬去除效果的影響

2.3.1 污泥中Zn和Ni的去除效果

不同電極間距CW-MFC 及CW 系統(tǒng)對(duì)污泥中Zn 和Ni 的去除效果如圖3 所示，隨電極間距的增大，Zn和Ni的去除率均呈下降趨勢(shì)。其中，Zn和Ni 的去除率分別從12cm 的84.68%和74.14%下降到20cm 的50.23%和48.01%。盡管如此，所有CW-MFC系統(tǒng)對(duì)Zn和Ni的去除率均高于傳統(tǒng)CW，分別提高了64.13%和25.77%。與王輝[28]研究相似，MFC 在處理土壤重金屬的過程中，去除率隨電極間距的增大而逐步減小，當(dāng)間距為6cm 時(shí)系統(tǒng)對(duì)Cu的去除率達(dá)99.1%。Huang等[29]研究MFC修復(fù)Cd污染的土壤，表明電極間距與MFC的發(fā)電成反比，在間距為3cm 時(shí)，對(duì)Cd 的修復(fù)效率最高，最大功率密度達(dá)22.7mW/m2。

圖3 電極間距對(duì)污泥重金屬去除效果的影響

2.3.2 Zn和Ni的遷移轉(zhuǎn)化

（1）Zn和Ni的化學(xué)形態(tài)變化

對(duì)處理前后的污泥進(jìn)行XPS 全譜圖掃描分析（圖4），顯示污泥表面的主要元素是C、O、Zn 和Ni，其中Zn和Ni是含量最高的兩種重金屬元素[30]，與表1 列出的結(jié)果一致。C 1s 是由于暴露在CO2、空氣和水中的小分子引起的，O 1s峰位高是因?yàn)槲勰嗵幵谙到y(tǒng)陰極，具有較高的氧含量，且O 1s 在531mV左右的峰歸屬為表面化學(xué)吸附氧[31]。

圖4 處理前后污泥的XPS全譜圖

Zn 2p、Ni 2p精細(xì)譜如圖5所示。由圖5(a)中可以看到，Zn 元素的結(jié)合能在1021.5eV 和1045.0eV附近，這表明鋅元素主要以Zn2+形式與氧結(jié)合[32]，Ni 2p3/2、Ni 2p1/2的峰在結(jié)合能為854.7eV、856.1eV、872.2eV 和873.4eV 出現(xiàn)， 并且在860.2eV 和878.4eV出現(xiàn)了衛(wèi)星峰[圖5(b)]，證實(shí)了鎳以二價(jià)和三價(jià)形式存在[33]。當(dāng)間距為12cm 時(shí)，增加掃描次數(shù)Zn 2p、Ni 2p均無峰值出現(xiàn)，說明樣品中Zn、Ni的含量低于檢測(cè)限。在系統(tǒng)運(yùn)行60天后，Ni 2p圖譜中的衛(wèi)星峰也越來越小，說明高價(jià)態(tài)的Ni 不斷被還原為低價(jià)態(tài)的物質(zhì)或單質(zhì)[34]。

Zn 2p、Ni 2p的峰值位置在反應(yīng)前后沒有發(fā)生明顯的位移（圖5），優(yōu)化電極間距后，Zn 2p和Ni 2p鍵結(jié)合能略微向高結(jié)合能方向移動(dòng)，污泥表面Zn、Ni 元素含量降低，這是因?yàn)槲勰嘀械闹亟饘僖越饘傺趸锏男问缴桑瑴p少了表面的Zn、Ni 原子含量[35]。利用XPS分析軟件對(duì)各價(jià)態(tài)區(qū)域的峰面積進(jìn)一步分析表明，Zn、Ni 是由于金屬離子在陰極上獲得電子被還原，從而實(shí)現(xiàn)去除目的[36]。

（2）Zn和Ni在CW-MFC系統(tǒng)中的遷移規(guī)律

從各系統(tǒng)中植物根和莖葉中Zn 和Ni 的富集效果（表3）來看，根系對(duì)Zn 和Ni 的富集能力要大于莖葉，當(dāng)間距為12cm、15cm、18cm 和20cm 時(shí)系統(tǒng)植物根系對(duì)重金屬Zn 的富集率分別達(dá)到23.76%、16.15%、13.17%和10.30%，對(duì)Ni 的富集率分別達(dá)到14.57%、13.38%、11.59%和9.47%。盡管植物在CW-MFC 中對(duì)重金屬的富集作用隨電極間距增加而下降，但仍高于CW系統(tǒng)中植物對(duì)Zn和Ni的富集率，它們僅分別為9.26%和8.88%。由表3 可知，CW-MFC 系統(tǒng)有促進(jìn)植物生長(zhǎng)的作用，當(dāng)間距為12cm、15cm、18cm 和20cm 時(shí)，CWMFC系統(tǒng)中植物生物量分別比傳統(tǒng)CW系統(tǒng)提高了233%、227%、223%和223%。

表3 各系統(tǒng)中植物對(duì)重金屬的富集情況

Zn、Ni 不僅可以通過植物的富集作用，還可以在電極附近富集從而達(dá)到去除的效果。各系統(tǒng)陰極對(duì)Zn 和Ni 的富集率結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，當(dāng)電極間距為12cm時(shí)電極上富集的Zn和Ni濃度最高，分別達(dá)到30.97mg/kg 和16.78mg/kg，富集率分別為30.97%和16.78%，比CW-MFC-NP 系統(tǒng)分別提高了94%和127%。當(dāng)電極間距為20cm 時(shí)，電極上對(duì)重金屬Zn、Ni 的富集率最低，分別為10.32%和7.56%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電極間距越大電極對(duì)重金屬富集率越低，此與唐靜文[37]的研究結(jié)果相似。

圖6 各系統(tǒng)電極對(duì)重金屬的富集率

2.4 電極間距對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)電性能的影響

2.4.1 系統(tǒng)輸出電壓

圖7 不同電極間距系統(tǒng)的輸出電壓

CW-MFC 各系統(tǒng)運(yùn)行期間實(shí)時(shí)輸出電壓及最高電壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分別如圖7 和表4 所示。由圖7 可知，各系統(tǒng)輸出電壓在前40 天隨接種污泥的注入呈現(xiàn)先上升后下降的明顯變化趨勢(shì)，分析原因主要是接種污泥一方面提高了產(chǎn)電菌數(shù)量，另一方面增加了產(chǎn)電菌所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于系統(tǒng)產(chǎn)能。實(shí)驗(yàn)后期由于各系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，輸出電壓基本穩(wěn)定。從圖7中還可看出，在間距為12cm和15cm時(shí)系統(tǒng)輸出電壓接近，明顯高于其他系統(tǒng)，其中間距為15cm 的系統(tǒng)電壓值高于CW-MFC-NP、18cm 和20cm 系統(tǒng)的106.44%、112.89%和139.04%，表明減少電極間距可有效增加輸出電壓[38]。同時(shí)在不同的電極間距下，輸出電壓值相差較大，表明改變電極間距對(duì)輸出電壓的影響很顯著，主要原因是電壓的高低取決于兩電極間的電勢(shì)差[39]，這與前文中電極間距對(duì)CW-MFC系統(tǒng)ORP的影響一致。

由表4可知，在電極間距分別為12cm、15cm、18cm和20cm時(shí)，最高功率密度分別為74.47mW/m3、84.05mW/m3、18.54mW/m3和14.71mW/m3，說明隨著CW-MFC 電極間距增大，系統(tǒng)功率密度快速下降，從15cm增加到20cm，系統(tǒng)最高功率密度下降了82.50%。原因是隨著電極間距的增大，CWMFC 產(chǎn)電性能會(huì)下降。當(dāng)間距為20cm 時(shí)，其內(nèi)阻遠(yuǎn)高于其他系統(tǒng)，可能是由于電解液的歐姆損失導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，從而功率密度減小。

表4 不同電極間距系統(tǒng)的產(chǎn)電性能統(tǒng)計(jì)

Noori 等[40]研究電極間距（分別為0.4cm、0.7cm、1.0cm 和1.3cm）對(duì)環(huán)形單室MFC 處理巧克力生產(chǎn)廢水的影響時(shí)，當(dāng)間距為0.7cm時(shí)對(duì)廢水處理效果最佳，此時(shí)輸出功率密度和電流分別為22.898W/m3和6.42mA。王艷芳等[41]研究在電極間距分別為1.4cm、2.1cm、3.4cm 和5.4cm 時(shí)，立方體型MFCs 對(duì)生活廢水的處理效果和產(chǎn)電性能分析，結(jié)果表明間距的減小能有效減小系統(tǒng)內(nèi)阻，同時(shí)有利于底物和生成物的流動(dòng)傳質(zhì)，提高輸出功率，且電極間距為2.1cm 的系統(tǒng)產(chǎn)電能力和運(yùn)行效果最佳。

2.4.2 極化曲線和內(nèi)阻分析

CW-MFC系統(tǒng)不同電極間距的極化曲線如圖8所示。當(dāng)電極間距為12cm和15cm時(shí)，極化曲線較平緩，說明系統(tǒng)陰極性能較好；而當(dāng)電極間距為18cm和20cm時(shí)，極化曲線變得比較陡峭，說明此時(shí)陰極極化情況比較嚴(yán)重，性能受到了顯著的抑制。從極化曲線可以看出，由于電極間距的不同，極化曲線的直線部分斜率出現(xiàn)了較大差異，即CW-MFC的內(nèi)阻發(fā)生了顯著變化[42]，各系統(tǒng)的內(nèi)阻值如表4所示。

圖8 不同電極間距的極化曲線

CW-MFC 的總內(nèi)阻由歐姆內(nèi)阻、活化內(nèi)阻、擴(kuò)散內(nèi)阻三部分組成[43]。本實(shí)驗(yàn)CW-MFC 的極化曲線中呈近似直線形狀的部分主要為歐姆極化區(qū)。隨著電流密度的增加，輸出電壓逐漸減小，極化曲線近似呈線性下降，因此可以通過極化曲線的斜率求得MFCs 的表觀內(nèi)阻（表4）。當(dāng)電極間距為15cm、18cm和20cm時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)阻會(huì)隨間距的增大而增大，這與之前的研究一致[44]。這是因?yàn)殡S著電極間距的增加，產(chǎn)電微生物產(chǎn)生的質(zhì)子遷移至陰極的距離增大，導(dǎo)致反應(yīng)體系的內(nèi)阻增大。但當(dāng)電極間距為12 cm時(shí)，間距較小，空氣中的少量氧氣滲透進(jìn)入陽極，與產(chǎn)電微生物反應(yīng)，消耗部分電子，被消耗的電子不會(huì)通過外電路到達(dá)陰極形成電流，從而使得輸出電流減小，內(nèi)阻增大[23]。

3 結(jié)論

本文以城市污泥為處理對(duì)象，研究電極間距對(duì)CW-MFC 去除污泥中Zn和Ni的效果以及產(chǎn)電性能的影響，得出如下結(jié)論。

（1）采用合適的電極間距能夠有效提高污泥重金屬的去除率、強(qiáng)化產(chǎn)電性能，其中間距為12cm時(shí)，對(duì)Zn、Ni 的最高去除率可達(dá)到84.68%和74.14%，較傳統(tǒng)CW系統(tǒng)分別提高64%和26%，電極間距過大則會(huì)降低系統(tǒng)對(duì)Zn和Ni的去除率。

（2）從Zn和Ni在CW-MFC系統(tǒng)中的遷移規(guī)律可看出，電極和濕地植物對(duì)Zn、Ni 的富集效果較好，其中系統(tǒng)電極對(duì)Zn 的富集率高達(dá)30.97%，這是傳統(tǒng)CW所達(dá)不到的效果。

（3）當(dāng)電極間距為15cm 時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓和功率密度最高，分別為545mV 和50.76mW/m3，但比電極間距為12cm的系統(tǒng)僅提高了6%和13%。考慮Zn和Ni能夠有效被去除，CW-MFC 系統(tǒng)的最優(yōu)電極間距為12cm。