餐饮废水处理与发电性能研究

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摘要:对比研究生物阴极微生物燃料电池与一般微生物燃料电池的废水处理与同步发电能力。以学校食堂餐饮废水为微生物燃料电池的底物，首先通过实验为微生物燃料电池选择合适的电子受体；其次，在采用较适宜电子受体的同等条件下，对生物阴极微生物燃料电池与一般微生物燃料电池处理餐饮废水的COD去除率及产电电流密度进行对比。实验结果表明，生物阴极微生物燃料电池处理餐饮废水的废水处理效果和发电能力均优于一般微生物燃料电池。

关键词:生物阴极;微生物燃料电池;餐饮废水;发电;废水处理

0引言

微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，MFC）是1种利用微生物代谢活动将储存在有机物中的化学能直接转化为电能的生物反应装置。微生物燃料电池利用废弃物进行发电，在处理废水的同时产生电能，而且发电过程不会产生任何污染环境的有害气体，被视作1种高效益、低能耗、清洁环保的新型废水处理及绿色发电工艺［1-4］。微生物燃料电池属于复杂的生物电化学系统，诸多因素影响其运行性能。目前，由于其发电性能与废水处理效果较差，利用微生物燃料电池处理各类废水的研究工作大多数仍停留在实验室研究阶段［5-10］。在大量投入实际应用前，需要进一步提高其发电效率及废水处理性能。阴极是制约微生物燃料电池产电性能的主要原因之一［11］。为了提高产电性能，一般需要在阴极添加催化剂。根据阴极催化剂的类型，可以把微生物燃料电池的阴极分为生物阴极和非生物阴极。一般微生物燃料电池采用非生物型阴极，其常用催化剂一般为铂等贵金属，极大地增加了微生物燃料电池的成本，且容易造成催化剂污染，不适于微生物燃料电池的规模化应用。生物阴极MFC以微生物作为催化剂，这些微生物能够简单地从好氧污泥中获得，造价低廉，极大地提高了MFC在实际中的可应用性和可持续性［12］。根据阴极电子受体的不同，可将MFC的生物阴极可分为好氧型生物阴极和厌氧型生物阴极。好氧型生物阴极微生物燃料电池直接或间接以氧气作为电子受体。厌氧型生物阴极微生物燃料电池则以过渡金属修饰生物阴极或者添加化合物作为电子受体以代替氧气作为电子受体，目前研究比较广泛的主要有硝酸盐、硫酸盐等。本实验首先对一般常用的电子受体进行比较，以选取性能较好的电子受体，然后从电流密度和污水COD去除率方面，对比生物阴极型微生物燃料电池与一般微生物燃料电池处理餐饮废水的整体性能。

1实验准备

1.1系统构成

本实验采用双室型无介体混菌微生物燃料电池反应器。反应器材质为有机玻璃，主要由阴极室、阳极室、质子交换膜及阴极和阳极构成。阳极室和阴极室同等大小，容积为500mL，阴阳极之间通过质子交换膜（杜邦Nafion117）分隔开。阴阳2极都以碳布（台湾碳能WOS1002）为电极材料，厚度为0.36mm，表面积为6cm×7cm。碳布通过铜线连接外电阻，形成完整的闭合电路。微生物燃料电池产生的实时输出电压通过与负载并联的16通道多功能USB数据采集卡（MPS-010602）进行在线采集与传输，每60s记录1次，并通过电脑终端进行显示、存储与处理。实验系统构成如图1所示。

1.2阴极微生物的选

取与驯化培养生物阴极微生物燃料电池的研究最初是在海底沉积物中发现的，生物阴极微生物种类复杂，微生物是影响其运行性能的关键因素。目前被发现的微生物大多数属于变形菌，还有其他的一些混合菌群落。本实验选用混合菌群落，其适应性好、易于培养、菌种培养周期短，可以大大的节省装置启动时间。自学校湖底取适量污泥，把污泥与少量湖水混合放置于容器中，以保证污泥中微生物由于长时间呼吸代谢所需要的水分。室温下，向容器中持续通入氧气，培养5～6d，使污泥中微生物活性处于最活跃期。培养后的污泥作为阴极好氧微生物菌种投入后期实验。

1.3电子受体选取

生物阴极微生物燃料电池中常用O2、K3［Fe（CN）6］等作为电子受体。电子受体主要是接收阳极端产生的电子，从而完成整个电路的电子传递。电子受体对于整个微生物燃料电池装置性能运行的成果起着非常重要的作用。本着提高微生物燃料电池装置运行性能的原则，本实验选用对提高产电效率有较好效果的电子受体O2、K3［Fe（CN）6］作对比研究，以选取最佳的电子受体，保证生物阴极微生物燃料电池的产电率。图5生物阴极MFC和常规MFC的COD去除率图3底物稀释条件下不同阴极电子受体电流密度图42种微生物燃料电池发电电流密度对比图2底物不稀释条件下不同阴极电子受体电流密度本实验设计了2种对比实验装置，第1种是以O2作为电子受体时，以NaCl溶液作为阴极溶液；第2种是以K3［Fe（CN）6］和NaCl的混合液作为阴极溶液，在厌氧状态下运行，保证实验中仅有K3［Fe（CN）6］作为电子受体，以进行单一条件下对比实验研究。

2种电子受体情况下的微生物燃料电池产电电流密度

曲线如图2、图3所示，其中图2为以食堂原废水为底物的微生物燃料电池在不同阴极电子受体作用下的电流密度曲线图；图3为以稀释食堂废水为底物的微生物燃料电池在不同阴极电子受体作用下的发电电流密度曲线图。在底物为餐饮原废水时，当以O2为阴极电子受体时，电流密度刚开始上升很快；反应14h后，电流密度急剧下降。分析原因，是由于O2活化损失严重，造成电压不能维持在一个高的水平，电流密度最终稳定在6.5mA/m2左右。而以铁氰化钾作为电子受体时，电流密度起始值较小，但曲线呈上升趋势。这是由于Fe3+参与电子传递被还原成Fe2+，而后又被阴极液中溶解的少量O2氧化成Fe3+，使Fe3+浓度升高，从而使发电电流密度升高。当采用稀释食堂废水作为微生物燃料电池底物时，2种不同阴极电子受体作用下的发电电流密度在起始阶段差别不大，但是以铁氰化钾作为阴极电子受体时，电流密度一直呈下降趋势，这是因为铁氰化钾在电子传递过程中有损耗，使铁氰化钾浓度下降，影响了产电性能。对比2种电子受体的作用效果，以氧气作为电子受体时的发电电流密度要高于以铁氰化钾作为电子受体时的电流密度。另一方面，以铁氰化钾作为电子受体会对阳极微生物活性造成危害［13］，且需要在进展过程中不断添加，进而影响产电效果。因此，氧气比铁氰化钾更适合做微生物燃料电池的电子受体。2生物阴极燃料电池处理餐饮废水以稀释餐饮废水为微生物燃料电池底物、氧气为电子受体，对比测试生物阴极MFC和一般MFC的发电能力和水处理能力。一般非生物阴极微生物燃料电池以NaCl溶液为阴极液，生物阴极微生物燃料电池以富含微生物的活性污泥湖水混合液作为阴极液。2种MFC的阴极均处于曝气运行状态，以提供充足的氧气作为电子受体。实验运行15d，2种微生物燃料电池的发电电流密度变化曲线如图4所示。由图4可见，生物阴极微生物燃料电池在运行的前6d，电流密度保持在12mA/m2稳定运行，分析原因是阴极的微生物正处于生长期，微生物含量较稳定；随后，电流密度又呈上升趋势，电流密度可达到21.5mA/m2，继而在这个电流密度范围内波动。这个时期测得阴极电导率为468us/cm，相比刚开始运行时的阴极电导率284us/cm有所提高，分析是由于这个时期的微生物已经大量积累并进入生长期，微生物参与电极反应，使产电性能大大提高。而以NaCl溶液作为阴极液的一般微生物燃料电池，其电流密度在起始运行时为7.9mA/m2，随后下降并基本稳定在6.0mA/m2。以化学介质为阴极液的一般微生物燃料电池，由于作为电子受体氧的溶解度的限制，在溶氧达到饱和后，产电性能只能维持在较低值。生物阴极微生物燃料电池产电性能明显优于以化学介体为阴极液的一般微生物燃料电池的产电性能。生物阴极微生物燃料电池和一般微生物燃料电池处理餐饮废水时的COD去除率指标如图5所示。由图5所示COD去除率情况可见，生物阴极微生物燃料电池处理稀释餐饮废水时的COD去除率可高达89.3%，而以NaCl溶液为阴极液的非生物阴极微生物燃料电池处理同样水质的餐饮废水时的COD去除率为53.4%。二者从污水净化效果方面来看，差距很大。生物阴极微生物燃料电池的废水处理效果明显优于一般非生物阴极微生物燃料电池。

3结论

生物阴极微生物燃料电池具有运行稳定、产电量高等优点，而且对环境不会造成污染，污水净化效果也较好。生物阴极微生物燃料电池和传统的非生物阴极微生物燃料电池相比，不论是产电能力还是污水处理效果，生物阴极微生物燃料电池均具有明显优势。

作者:樊立萍 郑钰姣 单位:沈阳化工大学环境与安全工程学院

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