MFC-CW處理重金屬Cr的研究現狀與展望

寧曉芬 石玉翠 楊畦 楊笑宇

摘要：指出了隨著重金屬鉻的危害日趨嚴重，MFC-CW作為一種在有效處理重金屬鉻的同時又能產生電能的新型污水處理工藝，越來越受到大家的關注。從電極材料、膜材料、水力停留時間、有機負荷及污水成分、產電微生物和濕地植物等6個方面介紹了國內外的研究進展，并對之后的研究方向進行了展望。

關鍵詞：MFC-CW處理工藝;重金屬鉻;人工濕地;微生物燃料電池

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）16—0163-02

1引言

鉻的主要化合價為Cr³⁺和Cr⁶⁺Cr³⁺毒性較小，可以很容易地從溶液中沉淀出來，并且是人體所必須的微量元素之一。與此相反Cr⁶⁺由于其毒性和流動性而特別受環境影響，并且難以從工業廢水中除去。它是一種強氧化劑，具有致癌性和致突變性，可在土壤和水生環境中快速擴散。它不會在水溶液中形成不溶性化合物，因此通過沉淀分離是不可行的。從而如何驅動Cr（Ⅵ）向Cr（Ⅲ）的價態轉化成了人們關注的重點。

MFC-CW（MicroKalfuelcell-constructed wetland.微生物燃料電池一人工濕地耦合系統）是將微生物燃料電池和人工濕地相結合的一種新型污水處理工藝，該工藝可以邊處理污水邊產生電能。MFC是通過微生物降解污水中的有機物來產生電能，CW是通過微生物降解污水中的有機物來凈化污水，從而微生物就為CW和MFC的耦合提供了一個基礎。

2國內外MFC-CW的研究現狀

近年來，微生物燃料電池與人工濕地相耦合得到越來越多的關注。通過填充具有導電性質的碳質填料，可把人工濕地演變為一種短路狀態的微生物燃料電池。此時，人工濕地床體底部（ORP較低）作為微生物燃料電池的陽極，水中的有機物在此降解，降解過程釋放的電子沿著導電填料向上傳輸至床體表層（ORP較高）的生物陰極，在此，Cr（Ⅵ）作為電子受體還原成Cr（Ⅲ）。MFC-CW的產電及污水凈化性能與電極材料、膜材料、水力停留時間、有機負荷及污水成分、產電微生物和濕地植物等有密切關系。

2.1電極材料

通常電極材料的選取對導電性能著極高的要求，而電極材料的比表面積、電導率、內阻等都會影響其導電性能。一般研究者會采用炭和石墨作為電極材料，雖然比金屬電極的導電性能略差，但其孔隙率和比表面積較高，可為微生物提供良好的生存環境，從而提高整個MFC-CW系統的產電能力和凈化能力。而且其廉價易得，目前大部分的工程實踐中都采用炭和石墨作為一個電極材料。Lei等1研究中發現將ACG-SSM復合電極嵌入CW-MFC基質中可以明顯提高對有機污染物的去除率并獲得較大的電能輸出。因此以復合材料為電極材料可能將成為今后的一種發展方向。

2.2膜材料

大多數CW-MFC有一層膜結構作為分隔層來人為分隔陰陽兩極，目前已有的研究CW-MFC中使用的分隔材料包括玻璃纖維、礫石以及膨潤土。但膜材料成本較高，所以近年來無膜MFC逐漸成為新的趨勢。有膜存在時，它可以作為一個物理屏障，阻止氧氣的擴散，幫助更好地形成分明的陰陽兩極;無膜可以有效避免兩極pH梯度的形成。

2.3水力停留時間

楊廣偉等得出隨著HRT的延長，CW-MFC系統達到穩定輸出電壓的時間逐漸增加，內阻逐漸變大，功率密度逐漸減小，庫倫效率逐漸增加。經過國內外研究人員的研究，在HRT為2～3d時，污染物的去除率最高。因而需要控制CW-MFC的HRT，使其產電性能處于最佳狀態。

2.4有機負荷及污水成分

CW-MFC系統處理污水的能力是大于單個CW或MFC的，而檢測污水處理能力的一個重要指標就是有機負荷。微生物在陽極分解有機物進行生成代謝和產生電子，但并不是有機物濃度越高產電效率越好，國內的Liu等發現進水COD濃度過高，會大量消耗陰極區的溶解氧含量，使構成完整回路所必需的參加還原反應的氧氣含量受到限制。所以在進行產電研究時，應確保有機物濃度在最佳產電效果區間內，若有機物濃度過高，可以適當稀釋，以確保在最佳條件下來探討產電性能。

2.5產電微生物

產電微生物是微生物燃料電池工作系統中的重要組成部分，起到一個生物催化劑的作用。不同種類的產電微生物的不同電化學活性導致了微生物燃料電池的產電效果不同。許多外界因素（如電極材料、污染物種類、植物種類、季節氣候、COD濃度等）都會影響微生物群落結構，進而影響產電。

2.6濕地植物

Corbella等研究發現種植濕地植物能夠大幅度增加微生物燃料電池的氧化還原電位梯度。濕地植物根際可吸收污水中少量的污染物（如N、P），同時在一定程度上提高COD去除率，還能為微生物的生長提供一定的生存環境。而對于處理重金屬鉻污水來說，具有超富集特性的李氏禾是最適合的濕地植物之一。

3展望

CW-MFC耦合系統在高效高效處理污水的同時還能產生電能，在社會上受到越來越多的重視。可以通過優化電極材料、膜材料、水力停留時間、有機負荷及污水成分、產電微生物和濕地植物等方法來不斷改善產電和去污能力。使CW-MFC在實際生產中能發揮重要的作用，緩解社會面臨的水體污染和能源短缺兩大核心問題。