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微生物燃料电池在废水处理中的应用进展

文档作者：张艺1 王芳芳2 许春玲1 文档来源： 1湖南省衡阳市环境监测站 2汕头大学理学院		点击数：	更新时间： 2024年07月06日
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微生物燃料电池在废水处理中的应用进展
张艺1王芳芳2许春玲1
(1湖南省衡阳市环境监测站湖南衡阳421001
2汕头大学理学院广东汕头515063)
摘要介绍微生物燃料电池技术在废水处理中的优势及其在各种废水中处理的研究进展情况并展望其发展前景。
关键词微生物燃料电池废水处理应用进展
中图分类号：X703．1 文献标识码：A 文章编号：1672—9064(2011)03-0078-02
随着经济的不断发展．能源和环境问题El益成为制约经
济发展的绊脚石．如果能够有效地将能源和环境问题同时解
决．这将极大推动经济的可持续发展。因此．从污水中最大限
度地回收能源可以实现污水处理的可持续性发展．具有十分
显著的社会、环境和经济效益。研究表明，微生物燃料电池
(Microbial Fuel Cell，MFC)可以在降解废水的同时获得能
源．并可以通过调节操作条件使其废水处理效果和性能达到
最优．这无疑是废水处理理念的重大革新，具有不可估量的
发展潜力．
1 MFC在废水处理中的优势
作为一种新型的能源工艺和废水处理技术．MFC与传
统的废水处理工艺和技术相比．有其自身的特点：
(1)燃料来源广泛。MFC可以利用一般燃料电池不能利
用的各种有机物、无机物以及微生物呼吸的代谢产物、发酵
产物、光合作用产物，甚至废水中的有机物等。
(2)环境友好。反应产物一般为二氧化碳和水，对环境没
有伤害．可以直接排放。
(3)操作条件温和。一般在中性常温常压下运行，不会使
污水水质发生酸化．且电池维护成本低，操作安全。
(4)将底物直接转化为电能．保证了高的能量转化效率，
避免了昂贵的预处理催化过程。
(5)不需要能量输入。仅需通风就可以被动地补充阴极
气体。同时变废为宝，提供能量。
(6)在缺乏电力基础设施的局部地区．具有广泛应用的
潜力．增加了能源的多样性。
正是因为MFC的以上特点．使它在废水处理中具有非
常广阔的应用前景．在能源危机和环境问题日益突出的今
天．它将展示独特的魅力。
2 MFC处理各种废水的研究进展
目前已有将葡萄糖、乙酸等易降解有机物为MFC的燃
料的报道外．还有一些复杂的有机物．如电镀废水、啤酒废
水、垃圾渗滤液、苯酚等为MFC的燃料的报道。本文主要介
绍MFC在含硫废水、含酚废水以及垃圾渗透液的研究进展。
2．1 MFC处理含硫废水的研究进展
含硫废水主要来源于制革、造纸、石化、印染、制药和炼
焦等行业。由于该类废水中含硫化物浓度高、涉及行业广、废
水排放量大、污染负荷高、毒性大，且会腐蚀废水构筑物，因
此处理含硫废水显得非常必要和紧迫。目前针对废水中硫化
物的处理方法通常有气提法、氧化法和生化法等。这些方法
存在许多局限性．如：处理费用高、运行不稳定等。
2002年美国马萨诸塞大学研究人员在海底沉积物MFC
中发现，电能的产生与硫化物的氧化紧密相关[1 3。2006年比
利时根特大学【2]报道了MFC把s2-氧化成单质硫或者更高价
硫的研究成果．以厌氧反应器的出水作为MFC的进水．经处
理后S2_的去除率近100％．2007年浙江大学基于需盐脱硫弧
菌构建的MFC运行性能良好【31。此外，Zhao等【4'5】在单室
MFC中引入硫酸盐还原菌Desulfovibriode sulfuricans回收单
质硫．废水中硫化物和硫代硫酸盐的去除率分别达到91％和
86％。
以上研究均表明。MFC的阳极氧化去除s2-是可行的。然
而，MFC处理含硫废水的研究还非常有限。关于如何提高
MFC处理含硫废水的电池性能等还需要进一步的研究。
2．2 MFC处理含酚废水的应用研究进展
苯酚是酚类化合物的典型代表，主要存在于炼油、炼焦、
造纸、石油化工、木材防腐、照料农药等企业的生产废水中。
近年来．芳香族化合物的需求在增加和企业的生产规模不断
扩大，导致含酚废水的排放量增大，给环境造成了严重污染。
处理含酚废水的方法很多，诸如生物法、电催化氧化法、吸附
法、光催化氧化法和膜处理法等。这些方法存在占地面积大、
操作条件苛刻和处理效果不理想等问题。
研究表明．废水中的苯酚对微生物有抑制作用．且对废
水中氨氮、磷和COD的去除效率有显著影响【6】。而MFC则能
有效地避免这种影响．骆海萍f7】等以1000mWL苯酚为单一
燃料时，MFC最高去除率也能达到90％。这表明．在MFC运
行条件下．微生物更能够有效的利用和分解苯酚．从而提高
了苯酚去除率。这也为酚类难降解有机物的高效低耗处理提
作者简介：张艺(1964一)，女，本科，工程师，主要从事环境监测技术、环境影响评估以及环境工程治理技术的研究与应用。
2011．No．3． o
万方数据
供了新的研究思路。
2．3 MFC处理垃圾渗滤液的研究进展
垃圾渗滤液作为城市一种主要的污水．不同于一般城市
污水的特点有：金属含量较高、有毒有害物质多、水质水量变
化大、化学性质不稳定、微生物营养比例失调等特点。
目前以厌氧处理技术为主导．国外加拿大Toronto大学
的Henry等【8]用厌氧滤池处理垃圾渗滤液．CODer的去除率
可达90％以上。国内徐竺引等采用UASB过滤器对垃圾渗滤
液进行处理，在中温消化时，高浓度CODer(3000～8000re#L)
去除率达95％左右．常温消化CODcr去除率可达90％左右。
但刘兵【lo】在比较MFC法和厌氧法处理垃圾渗滤液实验后期
发现．MFC法处理垃圾渗滤液的总体效果要超过厌氧法．这
是由于MFC法能够降解普通厌氧法不能去除的难以降解物
质，还能在处理垃圾渗滤的同时产生电能，变废为宝。这使
MFC法成为降解垃圾渗滤液的研究新方向。
3 MFC处理废水的局限
MFC在产电的同时可以减少污染物排放．为人类实现
可持续发展目标提供了技术支持．近几年备受关注。虽然
MFC已在废水处理中得到研究和应用．但由于微生物对底
物的氧化速率慢、电池内阻大、电子传递速率低、氧气浓度补
给和阴极活化过电位高等因素使MFC的输出功率很低．使
得MFC在实际应用中受到限制。因此．研究低成本、高发电
效率的MFC成为研究的重点。我们可以从以下几个方面进
行进一步的研究．推动其商业化应用。
(1)构建电池内阻低、外阻适当、结构简单、操作方便、便
于与废水处理工艺偶联的MFC。通过改变电子受体、阴极材
料、增加阳极表面积以及电极串并联方式来提高电极产电能
力。
(2)研究高效、广谱、活性强、毒性低的产电微生物。寻找
抗冲击能力强、利用基质范围广、底物降解率和能量输出效
率高复合菌群．
(3)扩大对基质的研究范围，将结构复杂、具有毒性的有
机物纳人到MFC基质的范围．研究对毒性物质具有抵抗力
的菌种，实现微生物的产电功能．并同时能降解范围更广的
有机物．
4展望
随着全球能源短缺、污染加重，人们的环境意识极大地
加强，无污染、低成本的绿色技术越来越受到人们的重视。由
于MFC技术具有绿色化的特质．使得该技术的研究成为全
世界的研究热点。随着对MFC的理论研究不断深人．新材
料、新工艺对MFC的材质和结构的不断优化，新的、效率更
高的微生物或复合微生物不断被发现．MFC在废水处理中
的应用将获得质的飞跃。
参考文献
l Bond D R，Holmes D E，Tender L M．Electrode reducing mieroorgan·
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10刘兵．微生物燃料电池处理含酚及特殊废水的应用研究．合肥：合
肥工业大学．硕士学住论文．2009
(上接第65页)
提升，通过管道输入净化系统。出水再重新进入内河，作为生
态补水。③运用曝气技术强化复氧。三捷河目前的水流特点
是紊动性小．氧的传递和扩散速率慢，河水自净的过程非常
缓慢．所以仅仅依靠天然大气复氧很难有效地改善水质．必
须依靠曝气充氧技术，加速水体复氧过程。该技术综合了曝
气氧化塘和氧化渠的原理。通过选择合适的曝气设备和充氧
方式，如水车式、叶轮式、射流式等对内河进行曝气增氧，充
入的溶解氧可以迅速氧化有机物厌氧降解时产生的甲硫醇、
H2S、FeS等物质，有效改善水体的黑臭状况，同时可以增强
河道水体的紊动，有利于氧的传递、扩散以及液体的混合。
当内河水质有所改善．生态系统初步恢复后．可有计划
地投放、种植适合内河净化的水生动植物．如鲢鱼、鲤鱼、草
鱼、美人蕉、菖蒲等，通过生态系统的能量流动和物质循环来
有效地改善内河生态环境。
(5)两岸景观建设，开发旅游资源。三捷河的综合整治应
结合棚屋区拆迁改造及清理违章、驳岸整治等专项行动。在
内河两岸兴建生态护坡，在陆域建立绿化带，绿化内河两岸。
这不仅可以美化景观、提高人居环境，又能有效隔离城市垃
圾和地表经流域直接排入内河污染环境。同时应合理开发三
捷河的旅游价值。如重建已消失的“码头”。让古朴的木板船
游弋其间，星安古桥边修建凉亭、讲书场。并利用陈文龙纪念
馆里的“民俗讲坛”和张真君总殿的庙会等民俗文化活动．打
造具有浓郁台江特色的景观河道。
参考文献
1 刘晓涛．城市河流治理若干问题的探讨．规划师．2001．17(6)
2盖四方．用“透析”疗法解决洋洋水库水质污染问题．山西水利．
2008。24(6)
3 李伟杰．汪永辉．曝气充氧技术在我国城市中小河道污染治理中的
应用．能源与环境．2007(2)

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