MFC去除城市污泥中溶解性有机物的研究现状

殷建惠

【摘要】文章简要介绍了几种去除污泥中有机物的常见方法及特点，微生物燃料电池通过微生物的降解作用高效利用并去除污泥中溶解性有机物的工作原理。在此基础上介绍了几种常见微生物燃料电池对溶解性有机物的去除效果，得出微生物燃料电池具有巨大的发展潜力。

【关键词】微生物燃料电池；溶解性有机物；去除效果

伴随着中国经济的不断发展，城市污泥的产量也在急剧上升，城市污泥中含有大量的溶解性有机物（DOM，Dissolved organic matter），他们种类繁多，结构复杂，在污水处理过程中的去除极其重要。目前常见的水处理工艺中对DOM的去除方法主要有混凝、吸附、膜处理及氧化等方法。这些方法很难完全去除污水中的有机物，并且需要耗费较大的人力物力，增加成本，因此为污水中有机物的去除寻求更加简便有效的可行之法具有深远的意义。

微生物燃料电池（MFC，Microbial Fuel Cells）通过微生物的降解作用使溶解性有机物中的化学能转化为动能，不仅做到了对污泥中有机物的有效去除而且去除过程中亦可获得大量能源，是一种新型的生物电化学系统。近年来关于微生物燃料电池的研究越来越多，可见MFC在适应未来社会开发绿色新能源方面的潜力之大，已经受到了国内外研究者的重视。

1、去除DOM的常见方法及特点

早在18世纪人们就开始了对饮用水处理深度的探讨，其中溶解性有机物的去除非常重要。由于多种因素影响，城市污水中有机物的成分错综复杂。有易降解有机物如糖类，蛋白质等，难降解有机物如各种酚类、脂类等。

常见的水处理工艺中对DOM的去除方法有混凝，活性炭吸附、膜处理，氧化等。Kanplan经过对美国某些污水厂处理工艺的研究发现，混凝方法对污水中溶解性有机物的去除效果一般。活性炭吸附具有比表面积大，孔隙发达，吸附效果好，材料易得等特点，但是污水中的大分子有机物容易堵塞活性炭孔隙，影响DOM的去除效果。膜处理技术具有出水稳定，适应性强，占地面积小等优点，但是膜的使用壽命，使用成本等因素都会在一定程度限制着膜处理技术的应用发展。氧化法通过氧化降低有机物的生物稳定性，从而更易于吸附和絮凝，常用的氧化法有臭氧氧化，生物氧化等。

2、微生物燃料电池的工作原理

常见的微生物燃料电池一般包括阴极室、阳极室、质子交换膜和外电路等组件，称之为双室微生物燃料电池。此外，一些研究者在双室MFC的基础上研究出了不含阴极室的单室MFC，和不含质子交换膜的无膜MFC。近些年来人们对MFC构形的研究层出不穷，但是万变不离其宗，微生物燃料电池中的产电微生物作为催化剂通过对有机物的降解作用产生质子和电子，电子通过介质被输送到到阳极，而后通过外电路传递到阴极从而形成电流，质子传递到阴极，与在阴极得到电子后被还原的氧化剂结合生成水。

3、几种常见MFC去除DOM的研究

3.1 典型双室MFC去除DOM的研究

典型双室MFC主要由阴极室、阳极室、质子交换膜、和外电路组成，构造简单。影响微生物燃料电池对溶解性有机物去除效果的因素众多，其中产电微生物作为催化剂，其生长状态和活跃程度是最为直接的影响因素。双室MFC阴极室和阳极室之间以质子交换膜隔开，为产电微生物的活动提供了相对独立的空间，更有利于微生物的生存。

剩余污泥中含有大量的溶解性有机物，这些有机物均可以作为燃料为微生物燃料电池所降解利用。有国外研究者实验表明，双室微生物燃料电池对多种废水的COD去除率均高达70%以上。

3.2 单室MFC去除DOM的研究

单室MFC是基于双室MFC的一大创新，单室MFC运行过程中阴极直接暴露在空气中，可以减少通气设备，降低成本，且体积小、构造简单，不需要质子交换膜，还可以提高电能的输出效率。

单室空气阴极微生物燃料电池对污泥中有机物的去除率最高可达80%以上。单室MFC省去了阴极室，电子由阳极可直接传递到阴极，大大减小了电池内阻，因此单室微生物燃料电池还具有巨大的发展潜力。

3.3 其他形式MFC去除DOM的研究

随着对微生物燃料电池的研究愈加深入，出现了越来越多形式的微生物燃料电池，比如管式微生物燃料电池，上流式微生物燃料电池，串联式微生物燃料电池等。

这些形式的微生物燃料电池具有扩大了阴阳极接触面积，减小了电池内阻，增加了反应器有效容积等特点，可以有效提高污泥中溶解性有机物的去除效果。

4、结语与展望

常规的物理和生物处理是很难完全去除城市污水中有机污染物的，这些污染物在污水处理过程中一部分发生转化，一部分仍然留在污水中，经过吸附等作用进入活性污泥过程中，虽然含量很少但是危害却是很大的。

近年来关于微生物燃料电池的研究越来越多，其在污水处理方面的潜力越来越得到重视，微生物燃料电池不仅能够以单一的碳水化合物作为燃料发电，而且可以利用有机污染物回收电，同时处理废水中的溶解性有机物。

参考文献：

[1] 石彦丽.城市污水处理过程中溶解性有机物的分级表征[D].西安建筑科技大学，2014.

[2] 蒋丰，刘阳，等.水处理工艺对溶解性有机物的去除[J]. 吉林农业，2012， （3）：151-152.

[3]Kaplan L A，Reasoner D J，Rice E W.A survey of BOM in US drinking water[J].American Water Works Association，1994，86（2）：121-132.

[4] BullenR A，Arnot T C，Lakemanc J B，et al.Biofuel cells and theirdevelopment[J].Biosens Bioelectron，2006，21 （ 11 ） ： 2015 -2045.

[5] 刘文君，杨忆新.超滤/粉末活性炭组合工艺深度处理黄河源水. 中国给水排水2010，26（15）：48-50.