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微生物燃料電池在廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)展

文檔作者：張藝1 王芳芳2 許春玲1 文檔來源： 1湖南省衡陽市環(huán)境監(jiān)測站 2汕頭大學(xué)理學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年07月06日
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微生物燃料電池在廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)展
張藝1王芳芳2許春玲1
(1湖南省衡陽市環(huán)境監(jiān)測站湖南衡陽421001
2汕頭大學(xué)理學(xué)院廣東汕頭515063)
摘要介紹微生物燃料電池技術(shù)在廢水處理中的優(yōu)勢及其在各種廢水中處理的研究進(jìn)展情況并展望其發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞微生物燃料電池廢水處理應(yīng)用進(jìn)展
中圖分類號(hào)：X703．1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672—9064(2011)03-0078-02
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展．能源和環(huán)境問題El益成為制約經(jīng)
濟(jì)發(fā)展的絆腳石．如果能夠有效地將能源和環(huán)境問題同時(shí)解
決．這將極大推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此．從污水中最大限
度地回收能源可以實(shí)現(xiàn)污水處理的可持續(xù)性發(fā)展．具有十分
顯著的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。研究表明，微生物燃料電池
(Microbial Fuel Cell，MFC)可以在降解廢水的同時(shí)獲得能
源．并可以通過調(diào)節(jié)操作條件使其廢水處理效果和性能達(dá)到
最優(yōu)．這無疑是廢水處理理念的重大革新，具有不可估量的
發(fā)展?jié)摿Γ?
1 MFC在廢水處理中的優(yōu)勢
作為一種新型的能源工藝和廢水處理技術(shù)．MFC與傳
統(tǒng)的廢水處理工藝和技術(shù)相比．有其自身的特點(diǎn)：
(1)燃料來源廣泛。MFC可以利用一般燃料電池不能利
用的各種有機(jī)物、無機(jī)物以及微生物呼吸的代謝產(chǎn)物、發(fā)酵
產(chǎn)物、光合作用產(chǎn)物，甚至廢水中的有機(jī)物等。
(2)環(huán)境友好。反應(yīng)產(chǎn)物一般為二氧化碳和水，對(duì)環(huán)境沒
有傷害．可以直接排放。
(3)操作條件溫和。一般在中性常溫常壓下運(yùn)行，不會(huì)使
污水水質(zhì)發(fā)生酸化．且電池維護(hù)成本低，操作安全。
(4)將底物直接轉(zhuǎn)化為電能．保證了高的能量轉(zhuǎn)化效率，
避免了昂貴的預(yù)處理催化過程。
(5)不需要能量輸入。僅需通風(fēng)就可以被動(dòng)地補(bǔ)充陰極
氣體。同時(shí)變廢為寶，提供能量。
(6)在缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施的局部地區(qū)．具有廣泛應(yīng)用的
潛力．增加了能源的多樣性。
正是因?yàn)镸FC的以上特點(diǎn)．使它在廢水處理中具有非
常廣闊的應(yīng)用前景．在能源危機(jī)和環(huán)境問題日益突出的今
天．它將展示獨(dú)特的魅力。
2 MFC處理各種廢水的研究進(jìn)展
目前已有將葡萄糖、乙酸等易降解有機(jī)物為MFC的燃
料的報(bào)道外．還有一些復(fù)雜的有機(jī)物．如電鍍廢水、啤酒廢
水、垃圾滲濾液、苯酚等為MFC的燃料的報(bào)道。本文主要介
紹MFC在含硫廢水、含酚廢水以及垃圾滲透液的研究進(jìn)展。
2．1 MFC處理含硫廢水的研究進(jìn)展
含硫廢水主要來源于制革、造紙、石化、印染、制藥和煉
焦等行業(yè)。由于該類廢水中含硫化物濃度高、涉及行業(yè)廣、廢
水排放量大、污染負(fù)荷高、毒性大，且會(huì)腐蝕廢水構(gòu)筑物，因
此處理含硫廢水顯得非常必要和緊迫。目前針對(duì)廢水中硫化
物的處理方法通常有氣提法、氧化法和生化法等。這些方法
存在許多局限性．如：處理費(fèi)用高、運(yùn)行不穩(wěn)定等。
2002年美國馬薩諸塞大學(xué)研究人員在海底沉積物MFC
中發(fā)現(xiàn)，電能的產(chǎn)生與硫化物的氧化緊密相關(guān)[1 3。2006年比
利時(shí)根特大學(xué)【2]報(bào)道了MFC把s2-氧化成單質(zhì)硫或者更高價(jià)
硫的研究成果．以厭氧反應(yīng)器的出水作為MFC的進(jìn)水．經(jīng)處
理后S2_的去除率近100％．2007年浙江大學(xué)基于需鹽脫硫弧
菌構(gòu)建的MFC運(yùn)行性能良好【31。此外，Zhao等【4'5】在單室
MFC中引入硫酸鹽還原菌Desulfovibriode sulfuricans回收單
質(zhì)硫．廢水中硫化物和硫代硫酸鹽的去除率分別達(dá)到91％和
86％。
以上研究均表明。MFC的陽極氧化去除s2-是可行的。然
而，MFC處理含硫廢水的研究還非常有限。關(guān)于如何提高
MFC處理含硫廢水的電池性能等還需要進(jìn)一步的研究。
2．2 MFC處理含酚廢水的應(yīng)用研究進(jìn)展
苯酚是酚類化合物的典型代表，主要存在于煉油、煉焦、
造紙、石油化工、木材防腐、照料農(nóng)藥等企業(yè)的生產(chǎn)廢水中。
近年來．芳香族化合物的需求在增加和企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷
擴(kuò)大，導(dǎo)致含酚廢水的排放量增大，給環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。
處理含酚廢水的方法很多，諸如生物法、電催化氧化法、吸附
法、光催化氧化法和膜處理法等。這些方法存在占地面積大、
操作條件苛刻和處理效果不理想等問題。
研究表明．廢水中的苯酚對(duì)微生物有抑制作用．且對(duì)廢
水中氨氮、磷和COD的去除效率有顯著影響【6】。而MFC則能
有效地避免這種影響．駱海萍f7】等以1000mWL苯酚為單一
燃料時(shí)，MFC最高去除率也能達(dá)到90％。這表明．在MFC運(yùn)
行條件下．微生物更能夠有效的利用和分解苯酚．從而提高
了苯酚去除率。這也為酚類難降解有機(jī)物的高效低耗處理提
作者簡介：張藝(1964一)，女，本科，工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測技術(shù)、環(huán)境影響評(píng)估以及環(huán)境工程治理技術(shù)的研究與應(yīng)用。
2011．No．3． o
萬方數(shù)據(jù)
供了新的研究思路。
2．3 MFC處理垃圾滲濾液的研究進(jìn)展
垃圾滲濾液作為城市一種主要的污水．不同于一般城市
污水的特點(diǎn)有：金屬含量較高、有毒有害物質(zhì)多、水質(zhì)水量變
化大、化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、微生物營養(yǎng)比例失調(diào)等特點(diǎn)。
目前以厭氧處理技術(shù)為主導(dǎo)．國外加拿大Toronto大學(xué)
的Henry等【8]用厭氧濾池處理垃圾滲濾液．CODer的去除率
可達(dá)90％以上。國內(nèi)徐竺引等采用UASB過濾器對(duì)垃圾滲濾
液進(jìn)行處理，在中溫消化時(shí)，高濃度CODer(3000～8000re#L)
去除率達(dá)95％左右．常溫消化CODcr去除率可達(dá)90％左右。
但劉兵【lo】在比較MFC法和厭氧法處理垃圾滲濾液實(shí)驗(yàn)后期
發(fā)現(xiàn)．MFC法處理垃圾滲濾液的總體效果要超過厭氧法．這
是由于MFC法能夠降解普通厭氧法不能去除的難以降解物
質(zhì)，還能在處理垃圾滲濾的同時(shí)產(chǎn)生電能，變廢為寶。這使
MFC法成為降解垃圾滲濾液的研究新方向。
3 MFC處理廢水的局限
MFC在產(chǎn)電的同時(shí)可以減少污染物排放．為人類實(shí)現(xiàn)
可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)提供了技術(shù)支持．近幾年備受關(guān)注。雖然
MFC已在廢水處理中得到研究和應(yīng)用．但由于微生物對(duì)底
物的氧化速率慢、電池內(nèi)阻大、電子傳遞速率低、氧氣濃度補(bǔ)
給和陰極活化過電位高等因素使MFC的輸出功率很低．使
得MFC在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。因此．研究低成本、高發(fā)電
效率的MFC成為研究的重點(diǎn)。我們可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)
行進(jìn)一步的研究．推動(dòng)其商業(yè)化應(yīng)用。
(1)構(gòu)建電池內(nèi)阻低、外阻適當(dāng)、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、便
于與廢水處理工藝偶聯(lián)的MFC。通過改變電子受體、陰極材
料、增加陽極表面積以及電極串并聯(lián)方式來提高電極產(chǎn)電能
力。
(2)研究高效、廣譜、活性強(qiáng)、毒性低的產(chǎn)電微生物。尋找
抗沖擊能力強(qiáng)、利用基質(zhì)范圍廣、底物降解率和能量輸出效
率高復(fù)合菌群．
(3)擴(kuò)大對(duì)基質(zhì)的研究范圍，將結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有毒性的有
機(jī)物納人到MFC基質(zhì)的范圍．研究對(duì)毒性物質(zhì)具有抵抗力
的菌種，實(shí)現(xiàn)微生物的產(chǎn)電功能．并同時(shí)能降解范圍更廣的
有機(jī)物．
4展望
隨著全球能源短缺、污染加重，人們的環(huán)境意識(shí)極大地
加強(qiáng)，無污染、低成本的綠色技術(shù)越來越受到人們的重視。由
于MFC技術(shù)具有綠色化的特質(zhì)．使得該技術(shù)的研究成為全
世界的研究熱點(diǎn)。隨著對(duì)MFC的理論研究不斷深人．新材
料、新工藝對(duì)MFC的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，新的、效率更
高的微生物或復(fù)合微生物不斷被發(fā)現(xiàn)．MFC在廢水處理中
的應(yīng)用將獲得質(zhì)的飛躍。
參考文獻(xiàn)
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(上接第65頁)
提升，通過管道輸入凈化系統(tǒng)。出水再重新進(jìn)入內(nèi)河，作為生
態(tài)補(bǔ)水。③運(yùn)用曝氣技術(shù)強(qiáng)化復(fù)氧。三捷河目前的水流特點(diǎn)
是紊動(dòng)性?。醯膫鬟f和擴(kuò)散速率慢，河水自凈的過程非常
緩慢．所以僅僅依靠天然大氣復(fù)氧很難有效地改善水質(zhì)．必
須依靠曝氣充氧技術(shù)，加速水體復(fù)氧過程。該技術(shù)綜合了曝
氣氧化塘和氧化渠的原理。通過選擇合適的曝氣設(shè)備和充氧
方式，如水車式、葉輪式、射流式等對(duì)內(nèi)河進(jìn)行曝氣增氧，充
入的溶解氧可以迅速氧化有機(jī)物厭氧降解時(shí)產(chǎn)生的甲硫醇、
H2S、FeS等物質(zhì)，有效改善水體的黑臭狀況，同時(shí)可以增強(qiáng)
河道水體的紊動(dòng)，有利于氧的傳遞、擴(kuò)散以及液體的混合。
當(dāng)內(nèi)河水質(zhì)有所改善．生態(tài)系統(tǒng)初步恢復(fù)后．可有計(jì)劃
地投放、種植適合內(nèi)河凈化的水生動(dòng)植物．如鰱魚、鯉魚、草
魚、美人蕉、菖蒲等，通過生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)來
有效地改善內(nèi)河生態(tài)環(huán)境。
(5)兩岸景觀建設(shè)，開發(fā)旅游資源。三捷河的綜合整治應(yīng)
結(jié)合棚屋區(qū)拆遷改造及清理違章、駁岸整治等專項(xiàng)行動(dòng)。在
內(nèi)河兩岸興建生態(tài)護(hù)坡，在陸域建立綠化帶，綠化內(nèi)河兩岸。
這不僅可以美化景觀、提高人居環(huán)境，又能有效隔離城市垃
圾和地表經(jīng)流域直接排入內(nèi)河污染環(huán)境。同時(shí)應(yīng)合理開發(fā)三
捷河的旅游價(jià)值。如重建已消失的“碼頭”。讓古樸的木板船
游弋其間，星安古橋邊修建涼亭、講書場。并利用陳文龍紀(jì)念
館里的“民俗講壇”和張真君總殿的廟會(huì)等民俗文化活動(dòng)．打
造具有濃郁臺(tái)江特色的景觀河道。
參考文獻(xiàn)
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2蓋四方．用“透析”療法解決洋洋水庫水質(zhì)污染問題．山西水利．
2008。24(6)
3 李偉杰．汪永輝．曝氣充氧技術(shù)在我國城市中小河道污染治理中的
應(yīng)用．能源與環(huán)境．2007(2)

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