餐飲廢水處理與發電性能研究

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摘要:對比研究生物陰極微生物燃料電池與一般微生物燃料電池的廢水處理與同步發電能力。以學校食堂餐飲廢水為微生物燃料電池的底物，首先通過實驗為微生物燃料電池選擇合適的電子受體；其次，在采用較適宜電子受體的同等條件下，對生物陰極微生物燃料電池與一般微生物燃料電池處理餐飲廢水的COD去除率及產電電流密度進行對比。實驗結果表明，生物陰極微生物燃料電池處理餐飲廢水的廢水處理效果和發電能力均優于一般微生物燃料電池。

關鍵詞:生物陰極;微生物燃料電池;餐飲廢水;發電;廢水處理

0引言

微生物燃料電池（MicrobialFuelCell，MFC）是1種利用微生物代謝活動將儲存在有機物中的化學能直接轉化為電能的生物反應裝置。微生物燃料電池利用廢棄物進行發電，在處理廢水的同時產生電能，而且發電過程不會產生任何污染環境的有害氣體，被視作1種高效益、低能耗、清潔環保的新型廢水處理及綠色發電工藝［1-4］。微生物燃料電池屬于復雜的生物電化學系統，諸多因素影響其運行性能。目前，由于其發電性能與廢水處理效果較差，利用微生物燃料電池處理各類廢水的研究工作大多數仍停留在實驗室研究階段［5-10］。在大量投入實際應用前，需要進一步提高其發電效率及廢水處理性能。陰極是制約微生物燃料電池產電性能的主要原因之一［11］。為了提高產電性能，一般需要在陰極添加催化劑。根據陰極催化劑的類型，可以把微生物燃料電池的陰極分為生物陰極和非生物陰極。一般微生物燃料電池采用非生物型陰極，其常用催化劑一般為鉑等貴金屬，極大地增加了微生物燃料電池的成本，且容易造成催化劑污染，不適于微生物燃料電池的規?；瘧?。生物陰極MFC以微生物作為催化劑，這些微生物能夠簡單地從好氧污泥中獲得，造價低廉，極大地提高了MFC在實際中的可應用性和可持續性［12］。根據陰極電子受體的不同，可將MFC的生物陰極可分為好氧型生物陰極和厭氧型生物陰極。好氧型生物陰極微生物燃料電池直接或間接以氧氣作為電子受體。厭氧型生物陰極微生物燃料電池則以過渡金屬修飾生物陰極或者添加化合物作為電子受體以代替氧氣作為電子受體，目前研究比較廣泛的主要有硝酸鹽、硫酸鹽等。本實驗首先對一般常用的電子受體進行比較，以選取性能較好的電子受體，然后從電流密度和污水COD去除率方面，對比生物陰極型微生物燃料電池與一般微生物燃料電池處理餐飲廢水的整體性能。

1實驗準備

1.1系統構成

本實驗采用雙室型無介體混菌微生物燃料電池反應器。反應器材質為有機玻璃，主要由陰極室、陽極室、質子交換膜及陰極和陽極構成。陽極室和陰極室同等大小，容積為500mL，陰陽極之間通過質子交換膜（杜邦Nafion117）分隔開。陰陽2極都以碳布（臺灣碳能WOS1002）為電極材料，厚度為0.36mm，表面積為6cm×7cm。碳布通過銅線連接外電阻，形成完整的閉合電路。微生物燃料電池產生的實時輸出電壓通過與負載并聯的16通道多功能USB數據采集卡（MPS-010602）進行在線采集與傳輸，每60s記錄1次，并通過電腦終端進行顯示、存儲與處理。實驗系統構成如圖1所示。

1.2陰極微生物的選

取與馴化培養生物陰極微生物燃料電池的研究最初是在海底沉積物中發現的，生物陰極微生物種類復雜，微生物是影響其運行性能的關鍵因素。目前被發現的微生物大多數屬于變形菌，還有其他的一些混合菌群落。本實驗選用混合菌群落，其適應性好、易于培養、菌種培養周期短，可以大大的節省裝置啟動時間。自學校湖底取適量污泥，把污泥與少量湖水混合放置于容器中，以保證污泥中微生物由于長時間呼吸代謝所需要的水分。室溫下，向容器中持續通入氧氣，培養5～6d，使污泥中微生物活性處于最活躍期。培養后的污泥作為陰極好氧微生物菌種投入后期實驗。

1.3電子受體選取

生物陰極微生物燃料電池中常用O2、K3［Fe（CN）6］等作為電子受體。電子受體主要是接收陽極端產生的電子，從而完成整個電路的電子傳遞。電子受體對于整個微生物燃料電池裝置性能運行的成果起著非常重要的作用。本著提高微生物燃料電池裝置運行性能的原則，本實驗選用對提高產電效率有較好效果的電子受體O2、K3［Fe（CN）6］作對比研究，以選取最佳的電子受體，保證生物陰極微生物燃料電池的產電率。圖5生物陰極MFC和常規MFC的COD去除率圖3底物稀釋條件下不同陰極電子受體電流密度圖42種微生物燃料電池發電電流密度對比圖2底物不稀釋條件下不同陰極電子受體電流密度本實驗設計了2種對比實驗裝置，第1種是以O2作為電子受體時，以NaCl溶液作為陰極溶液；第2種是以K3［Fe（CN）6］和NaCl的混合液作為陰極溶液，在厭氧狀態下運行，保證實驗中僅有K3［Fe（CN）6］作為電子受體，以進行單一條件下對比實驗研究。

2種電子受體情況下的微生物燃料電池產電電流密度

曲線如圖2、圖3所示，其中圖2為以食堂原廢水為底物的微生物燃料電池在不同陰極電子受體作用下的電流密度曲線圖；圖3為以稀釋食堂廢水為底物的微生物燃料電池在不同陰極電子受體作用下的發電電流密度曲線圖。在底物為餐飲原廢水時，當以O2為陰極電子受體時，電流密度剛開始上升很快；反應14h后，電流密度急劇下降。分析原因，是由于O2活化損失嚴重，造成電壓不能維持在一個高的水平，電流密度最終穩定在6.5mA/m2左右。而以鐵氰化鉀作為電子受體時，電流密度起始值較小，但曲線呈上升趨勢。這是由于Fe3+參與電子傳遞被還原成Fe2+，而后又被陰極液中溶解的少量O2氧化成Fe3+，使Fe3+濃度升高，從而使發電電流密度升高。當采用稀釋食堂廢水作為微生物燃料電池底物時，2種不同陰極電子受體作用下的發電電流密度在起始階段差別不大，但是以鐵氰化鉀作為陰極電子受體時，電流密度一直呈下降趨勢，這是因為鐵氰化鉀在電子傳遞過程中有損耗，使鐵氰化鉀濃度下降，影響了產電性能。對比2種電子受體的作用效果，以氧氣作為電子受體時的發電電流密度要高于以鐵氰化鉀作為電子受體時的電流密度。另一方面，以鐵氰化鉀作為電子受體會對陽極微生物活性造成危害［13］，且需要在進展過程中不斷添加，進而影響產電效果。因此，氧氣比鐵氰化鉀更適合做微生物燃料電池的電子受體。2生物陰極燃料電池處理餐飲廢水以稀釋餐飲廢水為微生物燃料電池底物、氧氣為電子受體，對比測試生物陰極MFC和一般MFC的發電能力和水處理能力。一般非生物陰極微生物燃料電池以NaCl溶液為陰極液，生物陰極微生物燃料電池以富含微生物的活性污泥湖水混合液作為陰極液。2種MFC的陰極均處于曝氣運行狀態，以提供充足的氧氣作為電子受體。實驗運行15d，2種微生物燃料電池的發電電流密度變化曲線如圖4所示。由圖4可見，生物陰極微生物燃料電池在運行的前6d，電流密度保持在12mA/m2穩定運行，分析原因是陰極的微生物正處于生長期，微生物含量較穩定；隨后，電流密度又呈上升趨勢，電流密度可達到21.5mA/m2，繼而在這個電流密度范圍內波動。這個時期測得陰極電導率為468us/cm，相比剛開始運行時的陰極電導率284us/cm有所提高，分析是由于這個時期的微生物已經大量積累并進入生長期，微生物參與電極反應，使產電性能大大提高。而以NaCl溶液作為陰極液的一般微生物燃料電池，其電流密度在起始運行時為7.9mA/m2，隨后下降并基本穩定在6.0mA/m2。以化學介質為陰極液的一般微生物燃料電池，由于作為電子受體氧的溶解度的限制，在溶氧達到飽和后，產電性能只能維持在較低值。生物陰極微生物燃料電池產電性能明顯優于以化學介體為陰極液的一般微生物燃料電池的產電性能。生物陰極微生物燃料電池和一般微生物燃料電池處理餐飲廢水時的COD去除率指標如圖5所示。由圖5所示COD去除率情況可見，生物陰極微生物燃料電池處理稀釋餐飲廢水時的COD去除率可高達89.3%，而以NaCl溶液為陰極液的非生物陰極微生物燃料電池處理同樣水質的餐飲廢水時的COD去除率為53.4%。二者從污水凈化效果方面來看，差距很大。生物陰極微生物燃料電池的廢水處理效果明顯優于一般非生物陰極微生物燃料電池。

3結論

生物陰極微生物燃料電池具有運行穩定、產電量高等優點，而且對環境不會造成污染，污水凈化效果也較好。生物陰極微生物燃料電池和傳統的非生物陰極微生物燃料電池相比，不論是產電能力還是污水處理效果，生物陰極微生物燃料電池均具有明顯優勢。

作者:樊立萍 鄭鈺姣 單位:沈陽化工大學環境與安全工程學院

參考文獻

1OhS.T.，KimJ.R.，PremierG.C.，etal.Premiersustainablewastewatertreatment：howmightmicrobialfuelcellscontribute.BiotechnolAdv，2010，28（6）

2DuZ，LiH，GuT.Astateoftheartreviewonmicrobialfuelcells：Apromisingtechnologyforwastewatertreatmentandbioenergy.Biotech-nolAdv，2007，25（5）

3LeeC.Y.，ChenJ.H.，CaiY.Y.Bioelectricitygenerationandorganicremovalinmicrobialfuelcellsusedfortreatmentofwastewaterfromfish-market.JEnvironEngManage，2010，20（3）

4LoganB.E.，HamelersB.，RozendalR.，etal.Microbialfuelcells：methodologyandtechnology，EnvironSciTechnol，2006，40（17）

5李兆飛，陶虎春，梁敏，等.雙室微生物燃料電池不同接種條件下處理薯蕷素廢水.環境科學研究，2009，22（4）

6郭璇，詹亞力，郭紹輝，等.煉廠含油污水微生物燃料電池的啟動及性能研究.高?；瘜W工程學報，2013，27（1）

7HuangL.P，LoganB.E.Electricitygenerationandtreatmentofpaperrecyclingwastewaterusingamicrobialfuelcell.ApplMicrobiolBiotechnol，2008，80（2）

8DurrutyI.，BonanniP.B.，GonzálezJ.F.，etal.Evaluationofpotato-processingwastewatertreatmentinamicrobialfuelcell.BioresourceTechnol，2012，105

9趙煜，馬彥，李婷，等.生物燃料電池處理生活污水同步產電特性研究.燃料化學學報，2014，42（4）

10梁吉虎，高自良，于建生.關于微生物燃料電池底物的研究進展.氨基酸和生物資源，2010，34（3）

11張玲，梁鵬，黃霞，等.生物陰極型微生物燃料電池研究進展.環境科學與技術，2010，33（11）

12張金娜，趙慶良，尤世界，等.生物陰極微生物燃料電池不同陰極材料產電特性.高等學校化學學報，2010，31（1）

13樊立萍，苗曉慧.微生物燃料電池處理餐飲廢水及同步發電性能研究.燃料化學學報，2014，42（12）