A/O-MFC處理垃圾滲濾液與產電性能研究

高秀紅，劉子明，曹玲，王鑫

(1.吉林省高校環境材料與污染控制重點實驗室，吉林 四平 136001；2.吉林師范大學 環境科學與工程學院，吉林 四平 136001；3.吉林工程職業學院 生物工程學院，吉林 四平 136000)

微生物燃料電池[1](MFC)是一種將化學能轉變為電能的能量轉換裝置。目前全球能源供需矛盾日益明顯，世界各國均在積極推動新能源[2]和可再生能源[3]的發展。基于此，研究者提出在去除污染物的同時又回收能源[4-5]的想法，將MFC與各種污水生物處理工藝[6-7]相結合，可實現“除污-產能”一體化。本研究在構建了序批式A/O-MFC耦合工藝的基礎上，以垃圾滲濾液為底物，考察A/O-MFC的產電性能和除污效果，以期為“污-廢水”能源回收技術研究提供理論基礎和數據支持。

1 實驗部分

1.1 原料來源

接種污泥取自四平市城市污水處理廠二沉池，呈漿狀。

1.2 實驗裝置構建

實驗裝置見圖1，采用雙室MFC，陰、陽兩極室為圓柱形有機玻璃瓶，有效容積250 mL(總容積300 mL)，均置于(30±1) ℃的恒溫水浴鍋內。陰、陽極均為4 cm×5 cm×1 mm的不銹鋼板材料，使用前用砂紙打磨，垂直懸浮于兩極室內。兩極板由銅絲相連，外接1 000 Ω負載電阻。

圖1 A/O-MFC結構示意圖

1.3 裝置接種、啟動與運行

本研究構建A/O雙室MFC裝置，陰、陽兩極室分別接種適量二沉池污泥。為了縮短微生物馴化周期及提高MFC性能，在陽極室加入實驗室前期已經穩定運行一年以上的MFC滲濾液混合液30 mL，然后再將原垃圾滲濾液稀釋3倍后加至陽極，至有效體積為250 mL。啟動時，陽極為厭氧室(A池)，由膠塞密封以維持厭氧狀態，經由穿孔口進樣或采樣；陰極為好氧室(O池)，加入稀釋3倍后的滲濾液至250 mL，通過曝氣設備持續通入空氣，溶解氧濃度維持在(4.10±0.51)mg/L。兩極室經由鹽橋相連，當輸出電壓>50 mV，認為啟動成功。

序批式A/O-MFC分3個階段運行。每階段陽極室初始滲濾液濃度相同，陰極則加入不同濃度的滲濾液，每階段內重復運行多個周期。當輸出電壓發生急劇下降時認為裝置內有機物濃度不能使產電微生物持續高效產電，進而取樣測定COD、氨氮值作為該周期的終點。此后，立即向陰、陽極室分別加入一定量的原垃圾滲濾液，使COD初始濃度接近每一階段的初始濃度值，每次加入后立即取樣測定COD、氨氮值記為該周期的初始濃度。

1.4 分析方法

極化曲線通過穩態放電法測定[11]，電流密度(I)和功率密度(P)計算過程如公式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

式中A——陽極電極有效表面積，m2；

R——外接電阻阻值，Ω；

I——電流密度，A/m2；

P——功率密度，mW/m2。

2 結果與討論

2.1 COD去除效果分析

序批式A/O-MFC分3個階段運行，第1階段運行3個周期，第2、3個階段各運行4個周期。每階段陰、陽極COD濃度變化情況見圖2。為增加可比性，實驗過程中控制每個運行階段陽極室中所加入的垃圾滲濾液進水COD濃度基本維持不變，平均為1 252.0 mg/L；陰極室中垃圾滲濾液的量則按低、中、高3個梯度依次增加，COD濃度平均分別為709.1，1 215.6，2 100.6 mg/L。

圖2 陰、陽極COD濃度變化情況

由圖2可知，在陽極液相同的條件下，MFC兩極的COD的去除率均隨陰極滲濾液濃度的增加而增大。陰極COD去除率分別為52.35%，69.02%和80.68%，第2，3階段比第1階段去除率分別提高31.84%和54.11%；陽極COD去除率提高百分比分別44.28%，54.76%。對比發現，A/O-MFC陰極COD去除效果明顯好于陽極，原因可能在于陰、陽兩極分別為好氧、厭氧池，陰極持續曝氣，一方面在氣流的混合攪拌作用下使陰極室內均質性效果較好，微生物可與污染物質充分接觸，同時也為好氧微生物提供了充足溶解氧；另一方面較高濃度的垃圾滲濾液為好氧微生物提供較多的碳、氮等營養物質，使微生物新陳代謝能力增強[12]，進而有利于COD的去除。

表1 A/O-MFC對的去除率

由表1可知，其變化趨勢與COD類似，氨氮的去除也隨陰極室滲濾液濃度的增加而增加，且陰極室處理效果明顯好于陽極室。各階段陰極室氨氮去除率平均分別為47.11%，69.02%和79.40%，而陽極室去除率最大僅為54.90%。A/O-MFC體系中陰極為好氧環境，發生硝化反應，微生物將氨氮氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽等，進而作為電子受體接受電子還原為N2釋放，氨氮去除率較高；陽極的厭氧微生物在新陳代謝過程中將氨氮作為氮源利用，抑或是發生厭氧氨氧化[13]作用實現氮的脫出，且陽極液為活性污泥、垃圾滲濾液的混合懸浮液，陽極室未進行攪拌，隨著微生物的不斷繁殖，活性污泥絮體結構不斷增大，使部分微生物沉降在陽極室底部，導致陽極液均質性效果較差，從而降低了厭氧微生物與污染物的接觸機會，導致氨氮去除效果降低。同時，厭氧微生物的世代時間明顯長于好氧微生物，這也是導致陽極室除污效果較低的可能因素之一。

2.3 A/O-MFC輸出電壓

各階段MFC的輸出電壓隨時間變化情況見圖3。

圖3 MFC的輸出電壓隨時間變化情況

由圖3可知，輸出電壓在每周期開始時先迅速升高，并在較高數值范圍內維持脈沖式波動狀態，而后急劇下降至該周期結束，進而需重新添加垃圾滲濾液(見圖中箭頭)開始新的周期。MFC的輸出電壓隨陰極滲濾液濃度的增加而增大，高效脈沖波動幅度隨滲濾液濃度增加而減緩，意味著高效產電時長增加。第1，2，3階段內每個周期最大電壓的平均值分別為379.5，540.6，880.4 mV。序批式A/O-MFC的每個運行周期末期當輸出電壓處于急劇下降時，向陰、陽極室補給垃圾滲濾液后，輸出電壓均能驟然迅速抬升，可見MFC內的產電微生物群落生命活力較強，能迅速適應環境，持續高效輸出電能。有研究表明，MFC輸出電壓隨時間呈現的類似脈沖波動現象是混合液中微生物種群相互競爭與協同作用[14]的結果，進而促進微生物產電；脈沖波動幅度減緩表明體系內產電微生物種群多樣性更趨于均衡，可能是MFC體系內產電微生物演化呈豐度較高的微生物種群[15]。鑒于垃圾滲濾液成分復雜，COD、氨氮含量較高，因此高濃度的垃圾滲濾液可為產電微生物提供較多營養物質，促進微生物新陳代謝功能，利于產電。

2.4 A/O-MFC極化曲線

A/O-MFC穩定運行階段的極化曲線、功率密度和電流密度關系見圖4。

圖4 極化曲線、功率密度和電流密度關系

由圖4可知，3個階段的功率密度呈先增大后減小的趨勢，最大功率密度分別0.030，0.096，0.129 W/M2，第3階段A/O-MFC體系的功率密度分別是前兩個階段4.30，1.34倍；獲得的開路電壓分別為0.574，1.048，1.288 V。可見，微生物燃料電池產電能力隨陰極滲濾液濃度的增加而增大。由于電池內阻隨電流增加而不斷極化，經計算得每階段的內阻分別為1 339.97，1 466.15，1 767.66 Ω，可見，內阻也隨滲濾液濃度增加而增大，高濃度垃圾滲濾液在為微生物提供豐富營養物質的同時也使體系內金屬離子含量增大，有利于電池的電化學反應，但隨著可生化降解有機物的濃度降低，惰性組分不斷在體系內積累導致MFC內阻增加。第2，3階段處理滲濾液COD污染負荷分別比第1階段增加71.4%，196.2%，而MFC內阻僅增加9.4%，31.9%，因此從總體來講，處理高濃度垃圾滲濾液的A/O-MFC的除污-產電性能最好。

3 結論

(1)MFC兩極的COD、氨氮的去除率均隨陰極滲濾液濃度的增加而增大，且陰極室去除效果明顯好于陽極室。陰極COD去除率分別為52.35%，69.02%和80.68%。

(2)每階段陰極室氨氮去除率平均分別為47.11%，69.02%和79.4%。MFC輸出電壓隨陰極滲濾液濃度的增加而增大，高效脈沖波動幅度隨滲濾液濃度增加而減緩。

(3)第1，2，3階段每隔周期最大電壓的平均值分別為379.5，540.6，880.4 mV，最大功率密度分別0.030，0.096，0.129 W/M2。第3階段功率密度分別是前兩個階段4.30，1.34倍。

序批式A/O-MFC處理高濃度垃圾滲濾液的除污-產電性能較好，可見，將MFC與污水生物處理工藝相結合，可實現“除污-產能”一體化。