在氧化溝中構(gòu)建微生物燃料電池

孫永軍，連 靜，呂光輝，劉俊新，肖本益

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083；2. 中國(guó)科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085）

研究報(bào)告

在氧化溝中構(gòu)建微生物燃料電池

孫永軍1，連 靜2，呂光輝1，劉俊新2，肖本益2

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083；2. 中國(guó)科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085）

在氧化溝中構(gòu)建了微生物燃料電池，經(jīng)測(cè)定微生物燃料電池電壓為0.24～0.39 V，均值為0.29 V。經(jīng)計(jì)算該微生物燃料電池的產(chǎn)電功率為0.05～0.15 mW，均值為0.08 mW。構(gòu)建了微生物燃料電池的氧化溝COD去除率為75%～90%，TN去除率為5%～38%；無(wú)微生物燃料電池的氧化溝COD去除率為77%～89%，TN去除率為5%～23%。構(gòu)建微生物燃料電池后能減少氧化溝內(nèi)外溝中污泥的增加量，約減少15%。

微生物燃料電池；氧化溝；產(chǎn)電；廢水處理

氧化溝是一種由連續(xù)環(huán)式反應(yīng)池構(gòu)成的簡(jiǎn)易廢水處理設(shè)施，是活性污泥法生化池的一種變型［1-2］。其特點(diǎn)是廢水在溝內(nèi)不斷地循環(huán)流動(dòng)，在溝內(nèi)不同階段形成厭氧、缺氧和好氧段。氧化溝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理簡(jiǎn)便、費(fèi)用低，因此氧化溝廢水處理技術(shù)應(yīng)用廣泛。微生物燃料電池技術(shù)是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的技術(shù)［3-6］，反應(yīng)裝置的陽(yáng)極區(qū)為厭氧環(huán)境，陰極區(qū)為好氧環(huán)境。近年來(lái)，應(yīng)用微生物燃料電池技術(shù)去除廢水中有機(jī)污染物和產(chǎn)生電能的研究成為水污染控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一［4-6］。目前，微生物燃料電池的構(gòu)型可分為雙室式、上流式、平板式、單室式和電池組式。

氧化溝能夠同時(shí)提供微生物燃料電池技術(shù)所需要的好氧和厭氧環(huán)境，因此，可將微生物燃料電池技術(shù)應(yīng)用于氧化溝廢水處理工藝，目前尚未見(jiàn)這方面的研究報(bào)道。本工作在氧化溝中構(gòu)建了微生物燃料電池，并進(jìn)行了廢水處理效果的研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為雙溝環(huán)一體化氧化溝，其結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。氧化溝的總有效體積為240 L，其中外溝（好氧區(qū)）為140 L，內(nèi)溝（厭氧區(qū)）為100 L，在內(nèi)外溝隔板上固定了一塊面積為175 cm2的質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜兩側(cè)分別固定陰陽(yáng)電極，兩電極間距為3 cm。氧化溝的外溝以轉(zhuǎn)刷推動(dòng)，內(nèi)溝以水下攪拌器推動(dòng)。

圖1 氧化溝的結(jié)構(gòu)示意

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將6片尺寸為4 cm×4 cm×0.5 cm的碳?xì)忠?.5 cm的間距固定在石墨棒上，制成電極。碳?xì)值奶己繛?.15 g/m3。用銅電線(xiàn)將兩電極與一個(gè)500 Ω的固定電阻連接。

實(shí)驗(yàn)廢水為中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心園區(qū)內(nèi)的生活污水。在氧化溝的內(nèi)溝和外溝均接種取自北京市某污水處理廠(chǎng)的回流污泥。廢水自進(jìn)水口進(jìn)入氧化溝的內(nèi)溝，進(jìn)水流量為17.5 L/h，然后在攪拌器的推動(dòng)作用下一部分在內(nèi)溝內(nèi)循環(huán)，另一部分從內(nèi)外溝隔板開(kāi)口進(jìn)入外溝，在轉(zhuǎn)刷的推動(dòng)下在外溝流動(dòng)，從沉淀區(qū)的排水口排出，沉淀區(qū)沉淀下來(lái)的污泥回流到內(nèi)溝。內(nèi)溝的DO為0.1～0.5 mg/L，外溝的DO為1.3～1.8 mg/L。實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行了37 d，運(yùn)行過(guò)程中不排泥。有微生物燃料電池的氧化溝稱(chēng)為產(chǎn)電系統(tǒng)，用于對(duì)比的無(wú)微生物燃料電池的氧化溝稱(chēng)為對(duì)照系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)分兩批進(jìn)行，兩批實(shí)驗(yàn)的溫度基本相同，在第一批實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取下兩電極，更換接種污泥進(jìn)行第二批實(shí)驗(yàn)，即對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

由于兩電極分別置于氧化溝的內(nèi)溝和外溝，而內(nèi)溝和外溝的DO不同，所以形成了一個(gè)微生物燃料電池。采用萬(wàn)用表測(cè)定兩電極所形成電池的電壓。電池的產(chǎn)電功率（P，mW）按式（1）計(jì)算。

式中：U為電池電壓，V；I為外電路的電流，mA；Rex為外電路電阻，kΩ。

1.3 分析方法

采用文獻(xiàn)［7］的方法測(cè)定廢水COD和TN。

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物燃料電池的產(chǎn)電性能

氧化溝中微生物燃料電池的產(chǎn)電電壓見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)：開(kāi)始階段（0～4 d）微生物燃料電池產(chǎn)生的電壓明顯增加，這個(gè)階段屬于電池的馴化啟動(dòng)期；實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行階段，微生物燃料電池產(chǎn)生的電壓為0.24～0.39 V，均值為0.29 V。

圖2 氧化溝中微生物燃料電池的產(chǎn)電電壓

盡管陰極上沒(méi)有載鉑，但通過(guò)微生物的作用，可以實(shí)現(xiàn)陰極上的氧化還原［8］，但與載鉑陰極相比，氧化溝中微生物燃料電池陰極上的氧化還原作用較弱。通過(guò)式（1）計(jì)算得到氧化溝中微生物燃料電池的產(chǎn)電功率，見(jiàn)圖3。

圖3 氧化溝中微生物燃料電池的產(chǎn)電功率

由圖3可見(jiàn)，裝置穩(wěn)定運(yùn)行期間該微生物燃料電池的產(chǎn)電功率為0.05～0.15 mW，均值為0.08 mW。與文獻(xiàn)［9-12］報(bào)道的單室空氣陰極微生物燃料電池處理生活污水穩(wěn)定期產(chǎn)生的電壓為0.43～0.44 V相比，本實(shí)驗(yàn)氧化溝中微生物燃料電池產(chǎn)生的電壓和產(chǎn)電功率均較低，且波動(dòng)較大。這是因?yàn)檠趸瘻现形⑸锶剂想姵夭捎蒙镪帢O，陰極上的氧化還原作用較弱［8-9］。另外，本研究采用的氧化溝為開(kāi)放系統(tǒng)，內(nèi)溝和外溝的環(huán)流作用會(huì)影響微生物燃料電池上產(chǎn)電微生物的生長(zhǎng)［1-2］，導(dǎo)致產(chǎn)電微生物生長(zhǎng)、富集較慢，而且會(huì)影響兩電極間的物質(zhì)傳遞，從而影響微生物燃料電池的產(chǎn)電電壓和產(chǎn)電功率。

氧化溝中微生物燃料電池的參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，隨裝置運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，氧化溝中微生物燃料電池的開(kāi)路電壓和最大產(chǎn)電功率均增大，但內(nèi)阻減小。說(shuō)明隨著裝置的運(yùn)行，產(chǎn)電微生物會(huì)逐漸得到馴化，并富集在處于氧化溝內(nèi)溝的陽(yáng)極上，使得電池的產(chǎn)電性能逐漸提高。與相關(guān)文獻(xiàn)［13］相比，該電池的開(kāi)路電壓較低，內(nèi)阻較大，這可能與裝置的結(jié)構(gòu)和電極性質(zhì)有關(guān)。

表1 氧化溝中微生物燃料電池的參數(shù)

2.2 氧化溝的廢水處理效果

產(chǎn)電系統(tǒng)和對(duì)照系統(tǒng)的COD去除情況見(jiàn)圖4。

圖4 產(chǎn)電系統(tǒng)和對(duì)照系統(tǒng)的COD去除情況

由圖4可見(jiàn)：產(chǎn)電系統(tǒng)氧化溝進(jìn)水的COD為210～460 mg/L，出水的COD為41～62 mg/L，COD去除率為75%～90%；對(duì)照系統(tǒng)氧化溝進(jìn)水的COD為208～408 mg/L，出水的COD為41～55 mg/L， COD去除率為77%～89%，兩者之間差異不大。

產(chǎn)電系統(tǒng)和對(duì)照系統(tǒng)的TN去除情況見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)：產(chǎn)電系統(tǒng)氧化溝進(jìn)水TN為39～95 mg/L，出水TN為25～68 mg/L，初期TN去除率較低，僅為5%～7%，隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，后期達(dá)到22%～38%，后期TN的總?cè)コ繛?7～36 mg/L；對(duì)照系統(tǒng)氧化溝進(jìn)水的TN為54～114 mg/L，出水TN為52～86 m g/L，初期TN去除率僅為5%～6%，后期達(dá)到17%～23%，后期TN的總?cè)コ繛?7～22 mg/L。可見(jiàn)構(gòu)建微生物燃料電池后TN去除率和TN總?cè)コ烤葘?duì)照系統(tǒng)略有提高。

圖5 產(chǎn)電系統(tǒng)和對(duì)照系統(tǒng)的TN去除情況

從以上結(jié)果可以看出，在氧化溝中構(gòu)建微生物燃料電池后，廢水的COD去除率和TN去除率沒(méi)有明顯變化。這可能是因?yàn)楸狙芯克鶚?gòu)建的微生物燃料電池的體積占整個(gè)氧化溝體積的比例很小，導(dǎo)致構(gòu)建該微生物燃料電池產(chǎn)電后對(duì)整個(gè)氧化溝的廢水處理效果影響不顯著。另外，是否構(gòu)建微生物燃料電池對(duì)氧化溝廢水的TN去除率都很低，這可能與實(shí)驗(yàn)采用的氧化溝僅為雙溝結(jié)構(gòu)有關(guān)。

氧化溝中污泥濃度的變化見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有排泥，氧化溝中內(nèi)外兩溝中的污泥濃度均隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。產(chǎn)電系統(tǒng)的氧化溝中內(nèi)外溝污泥濃度分別從2.42 mg/L和2.52 mg/L增加到3.53 mg/L和3.40 mg/L；對(duì)照系統(tǒng)的氧化溝中內(nèi)外溝污泥濃度分別從2.44 mg/L和2.46 mg/L增加到3.69 mg/L和3.52 mg/L。由此可見(jiàn)，構(gòu)建微生物燃料電池后能減少氧化溝內(nèi)外溝中污泥的增加量，約減少15%，該結(jié)果與文獻(xiàn)［6-7］的報(bào)道相近。這是因?yàn)樵谘趸瘻现袠?gòu)建微生物燃料電池后，可將廢水中的部分COD轉(zhuǎn)化為電能，從而減少了污泥的產(chǎn)生。

圖6 氧化溝中污泥濃度的變化

3 結(jié)論

a）在氧化溝中構(gòu)建了微生物燃料電池。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行階段，微生物燃料電池產(chǎn)生的電壓穩(wěn)定在0.24～0.39 V，均值為0.29 V。該微生物燃料電池的產(chǎn)電功率為0.05～0.15 mW，均值為0.08 mW。

b）產(chǎn)電系統(tǒng)氧化溝COD去除率為75%～90%，TN去除率為5%～38%；對(duì)照系統(tǒng)氧化溝COD去除率為77%～89%，TN去除率為5%～23%。

c）構(gòu)建微生物燃料電池后約能減少15%的氧化溝內(nèi)外溝中污泥增加量。

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Construction of M icrobial Fuel Cell in Oxidation Ditch

Sun Yongjun1，Lian Jing2，Lü Guanghui1，Liu Junxin2，Xiao Benyi2

（1. School of Chem ical and Environmental Engineering，China University of M ining Technology，Beijing 100083，China；2. Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China）

A microbial fuel cell (MFC) was constructed in the oxidation ditch. The determ ination results show that the voltage produced by the MFC is 0.24-0.39 V with the mean value of 0.29 V. According to calculation results，the power produced by the MFC is 0.05-0.15 mW with the mean value of 0.08 mW. The removal rates of COD and TN in the oxidation ditch with MFC are 75%-95% and 5%-38% respectively，while those in the oxidation ditch without MFC are 77%-89% and 5%-23% respectively. Additionally，the construction of MFC in the oxidation ditch can reduce the increase of sludge in the internal and external ditch by 15%.

microbial fuel cell；oxidation ditch；power generation；wastewater treatment

X71

A

1006 - 1878（2012）02 - 0105 - 04

2011 - 11 - 03；

2011 - 12 - 05。

孫永軍（1974 —），男，河北省保定市人，碩士，講師，主要從事清潔化工方面的研究。電話(huà)13683294544，電郵 sunyongjun1974@163.com。聯(lián)系人：肖本益，電話(huà) 010 - 62923543，電郵 byxiao@rcees.ac.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51008296）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（2009QH06）。

（編輯 祖國(guó)紅）