MFC-CW处理重金属Cr的研究现状与展望
2019-11-22宁晓芬石玉翠杨畦杨笑宇
宁晓芬 石玉翠 杨畦 杨笑宇
摘要：指出了随着重金属铬的危害日趋严重，MFC-CW作为一种在有效处理重金属铬的同时又能产生电能的新型污水处理工艺，越来越受到大家的关注。从电极材料、膜材料、水力停留时间、有机负荷及污水成分、产电微生物和湿地植物等6个方面介绍了国内外的研究进展，并对之后的研究方向进行了展望。
关键词：MFC-CW处理工艺;重金属铬;人工湿地;微生物燃料电池
中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）16—0163-02
1引言
铬的主要化合价为Cr3+和Cr6+Cr3+毒性较小，可以很容易地从溶液中沉淀出来，并且是人体所必须的微量元素之一。与此相反Cr6+由于其毒性和流动性而特别受环境影响，并且难以从工业废水中除去。它是一种强氧化剂，具有致癌性和致突变性，可在土壤和水生环境中快速扩散。它不会在水溶液中形成不溶性化合物，因此通过沉淀分离是不可行的。从而如何驱动Cr（Ⅵ）向Cr（Ⅲ）的价态转化成了人们关注的重点。
MFC-CW（MicroKalfuelcell-constructed wetland.微生物燃料电池一人工湿地耦合系统）是将微生物燃料电池和人工湿地相结合的一种新型污水处理工艺，该工艺可以边处理污水边产生电能。MFC是通过微生物降解污水中的有机物来产生电能，CW是通过微生物降解污水中的有机物来净化污水，从而微生物就为CW和MFC的耦合提供了一个基础。
2国内外MFC-CW的研究现状
近年来，微生物燃料电池与人工湿地相耦合得到越来越多的关注。通过填充具有导电性质的碳质填料，可把人工湿地演变为一种短路状态的微生物燃料电池。此时，人工湿地床体底部（ORP较低）作为微生物燃料电池的阳极，水中的有机物在此降解，降解过程释放的电子沿着导电填料向上传输至床体表层（ORP较高）的生物阴极，在此，Cr（Ⅵ）作为电子受体还原成Cr（Ⅲ）。MFC-CW的产电及污水净化性能与电极材料、膜材料、水力停留时间、有机负荷及污水成分、产电微生物和湿地植物等有密切关系。
2.1电极材料
通常电极材料的选取对导电性能着极高的要求，而电极材料的比表面积、电导率、内阻等都会影响其导电性能。一般研究者会采用炭和石墨作为电极材料，虽然比金属电极的导电性能略差，但其孔隙率和比表面积较高，可为微生物提供良好的生存环境，从而提高整个MFC-CW系统的产电能力和净化能力。而且其廉价易得，目前大部分的工程实践中都采用炭和石墨作为一个电极材料。Lei等1研究中发现将ACG-SSM复合电极嵌入CW-MFC基质中可以明显提高对有机污染物的去除率并获得较大的电能输出。因此以复合材料为电极材料可能将成为今后的一种发展方向。
2.2膜材料
大多数CW-MFC有一层膜结构作为分隔层来人为分隔阴阳两极，目前已有的研究CW-MFC中使用的分隔材料包括玻璃纤维、砾石以及膨润土。但膜材料成本较高，所以近年来无膜MFC逐渐成为新的趋势。有膜存在时，它可以作为一个物理屏障，阻止氧气的扩散，帮助更好地形成分明的阴阳两极;无膜可以有效避免两极pH梯度的形成。
2.3水力停留時间
杨广伟等得出随着HRT的延长，CW-MFC系统达到稳定输出电压的时间逐渐增加，内阻逐渐变大，功率密度逐渐减小，库伦效率逐渐增加。经过国内外研究人员的研究，在HRT为2～3d时，污染物的去除率最高。因而需要控制CW-MFC的HRT，使其产电性能处于最佳状态。
2.4有机负荷及污水成分
CW-MFC系统处理污水的能力是大于单个CW或MFC的，而检测污水处理能力的一个重要指标就是有机负荷。微生物在阳极分解有机物进行生成代谢和产生电子，但并不是有机物浓度越高产电效率越好，国内的Liu等发现进水COD浓度过高，会大量消耗阴极区的溶解氧含量，使构成完整回路所必需的参加还原反应的氧气含量受到限制。所以在进行产电研究时，应确保有机物浓度在最佳产电效果区间内，若有机物浓度过高，可以适当稀释，以确保在最佳条件下来探讨产电性能。
2.5产电微生物
产电微生物是微生物燃料电池工作系统中的重要组成部分，起到一个生物催化剂的作用。不同种类的产电微生物的不同电化学活性导致了微生物燃料电池的产电效果不同。许多外界因素（如电极材料、污染物种类、植物种类、季节气候、COD浓度等）都会影响微生物群落结构，进而影响产电。
2.6湿地植物
Corbella等研究发现种植湿地植物能够大幅度增加微生物燃料电池的氧化还原电位梯度。湿地植物根际可吸收污水中少量的污染物（如N、P），同时在一定程度上提高COD去除率，还能为微生物的生长提供一定的生存环境。而对于处理重金属铬污水来说，具有超富集特性的李氏禾是最适合的湿地植物之一。
3展望
CW-MFC耦合系统在高效高效处理污水的同时还能产生电能，在社会上受到越来越多的重视。可以通过优化电极材料、膜材料、水力停留时间、有机负荷及污水成分、产电微生物和湿地植物等方法来不断改善产电和去污能力。使CW-MFC在实际生产中能发挥重要的作用，缓解社会面临的水体污染和能源短缺两大核心问题。
