微生物燃料電池處理廢水時的產電性能研究

設計了一個經典的雙室微生物燃料電池，並考察了其在接種厭氧汙泥條件下對葡萄糖模擬廢水的產電性能。試驗主要考察了 電池系統在不同的電極材料及不同COD濃度下的產電性能及廢水處理效率。結果表明，該電池在初始COD為1000mg/L，以石墨為電極 的運行條件下產電性能最好，最大電流密度為 4.4mA/m2。在不同的COD濃度下，該系統對廢水中COD的去處率都穩定在70%。另外實驗 還考察了好氧汙泥代替空氣作為電子受體後電池系統的產電性能及廢水處理效率。在該條件下，微生物燃料電池的產電性能得到了顯著 的提高，輸出電流密度約為17.3mA/m2，同時其對廢水中的COD去除率達到了82%。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/227512.htm

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，簡稱為MFC） 是一種利用微生物體作為催化劑將有機物質及無機 物質氧化並產生電能的裝置 [1]。隨著環境問題日益嚴 峻以及經濟高速發展對能源需求的日益增加，微生物 燃料電池也越來越受重視。Logan等[2]以城市生活汙 水為營養物質構造的新型微生物燃料電池實現了汙 水處理的同時回收電能，從而在一定程度上降低了汙 水的處理成本。

然而，現在國內外大部分的微生物燃料電池研究 都集中在單容器型的微生物燃料電池，重點都圍繞著 減少微生物燃料電池的內阻，從而提高微生物燃料電 池的產電性能[3]。傳統的廢水處理工藝中，生物處理部 分主要是由好氧生物處理和厭氧生物處理組成。這與 傳統的雙室微生物燃料電池的構造相匹配。因此，雙 室微生物燃料電池是應用到實際廢水處理過程中，實 現廢水處理和能源回收的理想模式。

基於上述觀點，本研究設計了一個經典的無介體 雙室微生物燃料電池，利用該電池系統對模擬生活汙 水進行處理並考察了該過程中系統的產電性能，為微 生物燃料電池應用到實際的廢水處理過程中提供科學依據。

1實驗裝置和方法

1.1無介體雙室微生物燃料電池系統的搭建

微生物燃料電池系統如圖1所示，該電池由有機 玻璃製成，主要由陰極室和陽極室兩部分構成。 由恆溫磁力加熱攪拌器對陽極室內的混合液進 行連續攪拌，以保證營養物質和微生物體充分混合。陰極室內則由一小型空氣泵對內曝氣充氧。單室呈圓柱 型，有效容積為2009mL（Φ80mm×400mm），兩電極均 由石墨製成，有效面積為 350cm2。陰陽兩室以質子交 換膜（Nafion 117，杜邦）連接，其連接處有效面積約為 13cm2。外電路負載是一可調電阻箱（ZX97E）（1- 1000000Ω）。該燃料電池產生的電壓信號由外接的數 據採集系統（personal Daq/56）自動收集。

1.2實驗條件

陽極室中的接種汙泥是來自北京市高碑店汙水 處理廠汙泥消化池中的消化汙泥。在室溫下利用 COD約為200mg/L的葡萄糖模擬廢水培養7天，以恢 復汙泥的活性並富集菌種。基質為葡萄糖配製成的營 養儲備液，pH值保持在7左右[4-5]，COD約為1000mg/L。 厭氧泥及基質在進入反應器前，均需通入一定時間的 氮氣以去除其中的溶解氧。在整個實驗過程中保持陽 極室中的厭氧狀態，當一個產電周期結束後，停止攪 拌，待混合液中汙泥沉降完全後，棄去上清液，重新添 加新的營養物質。整個微生物燃料電池的運行溫度基 本維持在35℃左右[6-7]。整個實驗過程中，保持外路電 阻不變，約為 100Ω。

1.3分析項目與方法

化學需氧量COD測定：按照GB/T 11914-89規 定測定。

電化學性質的確定：電池的輸出電壓U由數據採 集系統自動記錄，電路中的電流大小I=U/Rw，其中Rw 為外阻大小。電流密度ρ（I）=I/A，其中A為電極的有 效面積。功率密度ρ（P）=ρ（I）×U。

2試驗結果

2.1不同電極材料對微生物燃料電池產電性能的影響

對於微生物燃料電池而言，電極材料直接關係到 該電池的電子傳輸速率以及其內阻大小，對其產電性 能有著顯著的影響。本試驗主要考察了兩種電極材料。一種是成本較 低，機械強度較好的石墨。由於石墨電極的反應表面為 平面，故選用碳纖維紙（簡稱為碳紙）（GEFC- GDL3，北 京金能）作為對比的電極材料，同傳統的石墨電極相 比，碳紙具有體積小，重量輕，孔隙率高等優點。兩電極 材料的對比實驗都是在COD為 1000mg/L，外阻為 100Ω的條件下進行的。在底物中COD的濃度都為 1000mg/L時，兩者產電性能的比較如圖2所示。

從圖2可知，石墨電極產電的穩定性優於碳紙電 極，在其後期該趨勢顯得更加明顯，石墨電極外路的 平均電流密度比碳紙電極高出30%，達到 4.4 mA/m2。 此外，在以碳紙和石墨為電極的條件下，電池系統對 模擬廢水中COD的去除率均保持在70%以上，出水 COD都保持在300mg /L。因此，對於石墨和碳紙而言， 無論採用何種電極材料，對微生物燃料電池的廢水處 理效果是沒有顯著影響的。