微生物燃料電池處理廢水時(shí)的產(chǎn)電性能研究

設(shè)計(jì)了一個(gè)經(jīng)典的雙室微生物燃料電池，并考察了其在接種厭氧污泥條件下對(duì)葡萄糖模擬廢水的產(chǎn)電性能。試驗(yàn)主要考察了 電池系統(tǒng)在不同的電極材料及不同COD濃度下的產(chǎn)電性能及廢水處理效率。結(jié)果表明，該電池在初始COD為1000mg/L，以石墨為電極 的運(yùn)行條件下產(chǎn)電性能最好，最大電流密度為 4.4mA/m2。在不同的COD濃度下，該系統(tǒng)對(duì)廢水中COD的去處率都穩(wěn)定在70%。另外實(shí)驗(yàn) 還考察了好氧污泥代替空氣作為電子受體后電池系統(tǒng)的產(chǎn)電性能及廢水處理效率。在該條件下，微生物燃料電池的產(chǎn)電性能得到了顯著 的提高，輸出電流密度約為17.3mA/m2，同時(shí)其對(duì)廢水中的COD去除率達(dá)到了82%。

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，簡(jiǎn)稱(chēng)為MFC） 是一種利用微生物體作為催化劑將有機(jī)物質(zhì)及無(wú)機(jī) 物質(zhì)氧化并產(chǎn)生電能的裝置 [1]。隨著環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán) 峻以及經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對(duì)能源需求的日益增加，微生物 燃料電池也越來(lái)越受重視。Logan等[2]以城市生活污 水為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)構(gòu)造的新型微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)了污 水處理的同時(shí)回收電能，從而在一定程度上降低了污 水的處理成本。

然而，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外大部分的微生物燃料電池研究 都集中在單容器型的微生物燃料電池，重點(diǎn)都圍繞著 減少微生物燃料電池的內(nèi)阻，從而提高微生物燃料電 池的產(chǎn)電性能[3]。傳統(tǒng)的廢水處理工藝中，生物處理部 分主要是由好氧生物處理和厭氧生物處理組成。這與 傳統(tǒng)的雙室微生物燃料電池的構(gòu)造相匹配。因此，雙 室微生物燃料電池是應(yīng)用到實(shí)際廢水處理過(guò)程中，實(shí) 現(xiàn)廢水處理和能源回收的理想模式。

基于上述觀點(diǎn)，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)經(jīng)典的無(wú)介體 雙室微生物燃料電池，利用該電池系統(tǒng)對(duì)模擬生活污 水進(jìn)行處理并考察了該過(guò)程中系統(tǒng)的產(chǎn)電性能，為微 生物燃料電池應(yīng)用到實(shí)際的廢水處理過(guò)程中提供科學(xué)依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1無(wú)介體雙室微生物燃料電池系統(tǒng)的搭建

微生物燃料電池系統(tǒng)如圖1所示，該電池由有機(jī) 玻璃制成，主要由陰極室和陽(yáng)極室兩部分構(gòu)成。 由恒溫磁力加熱攪拌器對(duì)陽(yáng)極室內(nèi)的混合液進(jìn) 行連續(xù)攪拌，以保證營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微生物體充分混合。陰極室內(nèi)則由一小型空氣泵對(duì)內(nèi)曝氣充氧。單室呈圓柱 型，有效容積為2009mL（Φ80mm×400mm），兩電極均 由石墨制成，有效面積為 350cm2。陰陽(yáng)兩室以質(zhì)子交 換膜（Nafion 117，杜邦）連接，其連接處有效面積約為 13cm2。外電路負(fù)載是一可調(diào)電阻箱（ZX97E）（1- 1000000Ω）。該燃料電池產(chǎn)生的電壓信號(hào)由外接的數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)（personal Daq/56）自動(dòng)收集。

1.2實(shí)驗(yàn)條件

陽(yáng)極室中的接種污泥是來(lái)自北京市高碑店污水 處理廠污泥消化池中的消化污泥。在室溫下利用 COD約為200mg/L的葡萄糖模擬廢水培養(yǎng)7天，以恢 復(fù)污泥的活性并富集菌種?；|(zhì)為葡萄糖配制成的營(yíng) 養(yǎng)儲(chǔ)備液，pH值保持在7左右[4-5]，COD約為1000mg/L。 厭氧泥及基質(zhì)在進(jìn)入反應(yīng)器前，均需通入一定時(shí)間的 氮?dú)庖匀コ渲械娜芙庋?。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持陽(yáng) 極室中的厭氧狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)產(chǎn)電周期結(jié)束后，停止攪 拌，待混合液中污泥沉降完全后，棄去上清液，重新添 加新的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。整個(gè)微生物燃料電池的運(yùn)行溫度基 本維持在35℃左右[6-7]。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持外路電 阻不變，約為 100Ω。

1.3分析項(xiàng)目與方法

化學(xué)需氧量COD測(cè)定：按照GB/T 11914-89規(guī) 定測(cè)定。

電化學(xué)性質(zhì)的確定：電池的輸出電壓U由數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)自動(dòng)記錄，電路中的電流大小I=U/Rw，其中Rw 為外阻大小。電流密度ρ（I）=I/A，其中A為電極的有 效面積。功率密度ρ（P）=ρ（I）×U。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1不同電極材料對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響

對(duì)于微生物燃料電池而言，電極材料直接關(guān)系到 該電池的電子傳輸速率以及其內(nèi)阻大小，對(duì)其產(chǎn)電性 能有著顯著的影響。本試驗(yàn)主要考察了兩種電極材料。一種是成本較 低，機(jī)械強(qiáng)度較好的石墨。由于石墨電極的反應(yīng)表面為 平面，故選用碳纖維紙（簡(jiǎn)稱(chēng)為碳紙）（GEFC- GDL3，北 京金能）作為對(duì)比的電極材料，同傳統(tǒng)的石墨電極相 比，碳紙具有體積小，重量輕，孔隙率高等優(yōu)點(diǎn)。兩電極 材料的對(duì)比實(shí)驗(yàn)都是在COD為 1000mg/L，外阻為 100Ω的條件下進(jìn)行的。在底物中COD的濃度都為 1000mg/L時(shí)，兩者產(chǎn)電性能的比較如圖2所示。

從圖2可知，石墨電極產(chǎn)電的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于碳紙電 極，在其后期該趨勢(shì)顯得更加明顯，石墨電極外路的 平均電流密度比碳紙電極高出30%，達(dá)到 4.4 mA/m2。 此外，在以碳紙和石墨為電極的條件下，電池系統(tǒng)對(duì) 模擬廢水中COD的去除率均保持在70%以上，出水 COD都保持在300mg /L。因此，對(duì)于石墨和碳紙而言， 無(wú)論采用何種電極材料，對(duì)微生物燃料電池的廢水處 理效果是沒(méi)有顯著影響的。