微生物燃料电池在废水处理中的应用研究

张文莉 李杰

摘要：指出了微生物燃料电池应用于废水处理中在降解污染物的同时产生电能，是符合可持续发展的新型应用研究。概述了微生物燃料电池应用于市政或生活污水、农业废水、工业废水等不同类型废水的应用现状，提出了该应用现存的问题与未来研究建议。

关键词：微生物燃料电池，废水处理;应用现状

中图分类号：X505 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）04-0011-03

1 引言

近年来，随着城市化进程的加快，不可再生能源日益枯竭;各类废水排放量与其排放标准也变大、变高，人们对微生物燃料电池的关注度越来越高。微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）作为一种创新技术，应用在废水处理上不仅可以降低废水处理的成本，也为人类提供获取能源的新途径。但其在实际投入运行时仍存在很多弊端，这严重阻碍了MFC技术的发展。故为推广这项新技术，需对MFC作更深入的研究，增大将其投入实际运行的可行性。

本文综述了MFC技术处理各类废水的研究进展，以期能在环境治理和能源方面得到更广泛、深入的应用，为未来的研究工作提供一些参考和借鉴。

2 MFC在实际废水处理中的性能

2.1 市政或生活污水

目前城市生活污水处理厂通常采用好氧活性污泥法进行污水处理，在曝气阶段对电能需求较大且工艺最终会产生大量剩余污泥，又因其排放量大，污水厂运行成本较大。而MFC可弥补传统处理技术的不足，符合废物资源化原则[1]。

随着对MFC实际应用研究的增多，生物阴极型MFC成为了近年来研究的热点[2，3]。Puig S等[4]建立并使用空气阴极的单室MFC系统模型处理的生活污水，功率输出为1.14W/m3， COD去除率为80.0%。Rodrigo MA等[5]采用双室MFC， COD去除率为30.0%，最大功率密度为25MW/m2。Li等[6]将短程硝化和反硝化结合采用三室MFC，其TN去除率高达99.9%，净产电量为0.007kW·h/m3。Me等[7]采用好氧与缺氧生物阴极两三室MFC复合运行，其TN去除率高达97.3%。崔心水等[8]构建了三室双阴极MFC系统，结果显示该MFC系统对COD和NH4+-N具有良好的去除效果，去除率分别高达98%和95%以上，厌氧阳极·缺氧阴极和好氧阴极的最大功率密度分别达到1.88W/m3，0.74W/m3和0.59W/m3。

1.2 农业废水

动物粪便废水是农业废水的主要成分[9]，其中含有大量有机物、悬浮物、氮、磷，并散发恶臭气体，水量大且排放集中，对环境和水体造成严重污染。因此必须对农业废水进行处理，解决水污染和气味问题[10]。而能净化富含有机质的农业水并产生电能的MFC系统是处理农业废水的新方向[11，12]。

Min等[13]最先将双室液相阴极型MFC和单室空气阴极型MFC技术应用于猪场废水的研究，结果表明，双室MFC处理溶解性化学需氧量为8320mg/L的猪场废水可获得最大的功率密度为45mW/m2，而单室MFC处理更高浓度的猪场废水时，可获得最大功率密度为261mW/m2，氨氮的去除率达到了83%。此后，Yokoyama等[14]采用单室空气阴极反应器对牛粪便进行了处理时，COD和生化需氧量去除率分别为70%和84%，最大功率密度为0.34MW/m2。MFC在降解养殖废水中所含有机物的同时获得了电能，保护了环境和水体不受污染，这项技术对农业废水的处理提供了很大的帮助。

2.3 工业废水

2.3.1 食品加工废水

食品工业废水有机物质和悬浮物含量高，一般毒性不大，主要有制糖废水、淀粉加工废水、啤酒酿造废水、乳业废水等。许多研究人员已经运用MFC系统进行发电并对其进行了处理[15]。

Kapadnis等[16]第一次使用活性污泥为微生物源，以巧克力工业废水为底物，构建双室型MFC，由实验结果可知，处理后废水的TS（处理前2344mg/L处理后754mg/L），BOD5（处理前640mg/L处理后230mg/L），COD（处理前1459mg/L处理后368mg/L）都有了明显的下降。温青等[17]第一次构建了双极室连续流联合处理啤酒废水的MFC，研究表明，采用双极室连续流MFC可以大大提高废水的处理效果，对啤酒废水化学需氧量（COD）的总去除率可达92.2%～95.1%。赵海等[18]最先采用空气阴极MFC处理甘薯燃料乙醇废水，以COD為5000mg/L的废水做底物，获得的最大电功率为334.1mW/m2，库仑效率为10.1%，COD去除率为92.9%。

2.3.2 染料废水

工业废水（主要来自染料制造和纺织工业）包括大量的合成化学染料[19]。染料废水色度大、成分复杂、生物毒性大、处理难度大，若直接排放会对环境造成严重污染，故必须对其进行深度处理。利用微生物电化学系统处理染料废水是一种既节能环保又高效的处理废水的技术。

现有就MFC对某些染料的脱色能力的研究。Kal-athil等[20]在没有任何昂贵的同步真实染料脱色和生物发电材料的情况下，首次开发了一种颗粒活性炭基（GACB-MFC）。结果表明，阳极和阴极的去色率分别为73.0%和77.0%，COD去除率分别为71.0写和76.0%。Sun等[21]将单室MFC系统引入处理活性艳红X-3B浓度为300mg/L的偶氮染料废水系统，最大产能为0.842W/m3 Luo等[22]第一次使用双室MFC系统处理苯酚浓度为1000mg/L，葡萄糖浓度为500mg/L的混合废水，相比于400mg/L的单苯酚废水，最大功率密度由9.1W/m3提高到了28.3W/m3，去除率在60h内都超过了95%，说明没有共基质也能降解苯酚并产电。

3 发展前景

与传统废水处理方法相比MFC处理效果良好，工艺流程短，还可以发电，因此MFC系统有望成为可持续新型系统，以满足日益增长的废水处理和环境保护的能源需求。目前MFC应用于废水处理的研究主要是小规模的实验室系统，虽然过去十年的研究使其功率密度增加了几个数量级，但要将这些系统推广到大规模的实际应用中还需进一步的突破[23～29]。

（1）目前MFC是由单一菌种构建所成。在实际应用中，单一菌种无法适应复杂的水质变化。筛选能将有机物都能作为电子供体的微生物来代替单一菌种是未来研究的方向之一。

（2）阴阳两极室的MFC由质子交换膜隔开，这种结构不利于MFC的扩大使用。单室设计的MFC有利于扩大使用，即将质子交换膜缠绕在阴极棒上置于阳极室中，但大规模的使用有待试验检验。

电能的输出主要受阴极的影响。阴极产生的氧气通过质子交换膜后对阳极的兼性厌氧菌产生影响，氧气作为电子受体，而非电极，这严重影响电量的输出，故阴阳极的材料选择是MFC研究的重要方向之一。

（3）在环境污染与能源短缺的今天，利用MFC降解多种废水同时产电有着很大发展空间，随着生物和化学学科交叉研究的深入，其必将在处理污水和能源可持续发展方面得到更广阔的应用。

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收稿日期：2019-12-31

基金项目：国家重点研发项目（编号：2016YFC0400705）

作者简介：张文莉（1995-），女，硕士研究生，研究方向为水污染控制。

通讯作者：李杰（1964-），男，博士，博导，教授，研究方向为水污染控制。