微生物燃料电池在水污染治理领域的研究进展

摘要：本文概述了微生物燃料电池对各种废水的治理情况，分析其对不同废水的治理效果，以及其存在优缺点，最终提出相应的看法和建议。

关键词：微生物燃料电池;废水处理;阳极;阴极

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）09-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.033

Research progress of microbial fuel cells in the field of water pollution control

Zhang Lei

（Jiangsu Lanlian Environmental Technology Co.，Ltd.，Changzhou Jiangsu 213000，China）

Abstract：This article outlines the treatment of various wastewaters by microbial fuel cells，analyzes their effects on different wastewaters， and their advantages and disadvantages. Finally put forward corresponding views and suggestions.

Key words：Microbial fuel cell;Wastewater treatment;Anode;Cathode

1 微生物燃料电池简介

1.1 微生物燃料电池构造及原理

微生物燃料电池（MFC）是一种能同时实现废水治理与产电的新型技术[1]。其通过MFC阳极的微生物作催化剂，将废水中有机污染物的化学能转化为电能。传统MFC由阳极室和阴极室组成，两室之间通过质子交换膜（PEM）相隔。其主要原理是以阳极微生物作催化剂氧化底物（如葡萄糖、乙酸钠等），产生电子、质子和二氧化碳。电子通过介体传递到阳极（负极）极板，并通过外电路负载到达阴极，质子通过PEM由阳极到达阴极，氧化剂（以O2为例）在阴极得到电子而 被还原，从而形成回路，产生电流（其工作原理见图1）。

阳极反应和阴极反应分别为：

阳极反应： C6H12O6+6H2O→6CO2+24e-+24H+ （1）

阴极反应： 6O2+24e-+24H+→12H2O （2）

1.2 微生物燃料电池的分类

微生物燃料电池的分类具有多样性。按照其构型分类主要有双室和单室MFC，双室MFC包括阳极和阴极，中间以质子交换膜隔绝开，单室MFC是将阴极和质子交换膜整合在一起。按照电子传递机制分类主要有直接型和间接型MFC，阳极产电微生物能直接自主地将电子转移到阳极电极上的属于直接型MFC，需要添加电子介体实现电子转移的属间接型MFC。按照阳极有机底物可以分为沉积型、光能自养型和优能异养型MFC。

2 微生物燃料电池处理废水研究进展

2.1 阳极处理废水

MFC作为能同时实现废水处理和产电的装置。其对废水的降解一般是通过阳极产电微生物的代谢作用。近年来，已有大量学者将MFC应用于染料废水、焦化废水、垃圾渗滤液等诸多工业废水的污染治理中。

2.1.1 染料废水

现有研究表明，MFC在染料废水治理方面的研究效果相对较为显著，对染料废水表现出不俗的脱色效果和产电性能。MFC能有效处理活性艳泓X-3B、刚果红、甲基橙、酸性橙7等诸多染料。Li等[2]研究发现，以碳毡作阳极和阴极材料的双室MFC对甲基橙和酸性橙7的降解率能达到99%，MFC电压最大能达到250mV。

2.1.2 焦化废水

有研究报道，MFC能有效处理焦化废水（COD=2000mg/L），最大电压能稳定在370mV左右。能实现含硫、含氮、酚类、环状、烷烃类污染物的降解。

2.1.3 垃圾渗滤液

相对于其他工业废水，垃圾渗滤液成分相对复杂且含有大量的有机物，其废水COD较高，可生化性较差。You等[3]首次將垃圾渗滤液作阳极底物，利用MFC处理垃圾渗滤液并产生电能。其研究表明，MFC对垃圾渗滤液的处理效率能达到98%，功率密度能达到6.8W/m2。随后诸多学者展开研究发现，MFC对垃圾渗滤液的处理，运行时间最优为10～12d，对BOD和NH3-N的降解率分别能达到98%和89%左右。

可见，MFC阳极对多种工业废水均存在较好的处理效果，且能够稳定运行和产电。然而MFC阳极处理工业废水时，也存在一定的限制性因素。譬如，受到阳极微生物活性的影响较大，当废水中含有的有毒有害物质浓度过高时，会破坏微生物活性，导致降解率下降。

2.2 阴极处理废水

MFC阴极对燃料废水的处理，主要是通过MFC阳极底物被微生物降解所产生的电子被传递到阴极后。一方面，电子直接被阴极的污染物接受，部分污染物则直接被还原处理;另一方面，电子被氧气接受后产生H2O2，H2O2自身具有一定的氧化性，对有机物存在少量的氧化降解作用。同时通过外投Fe2+的方式，Fe2+能和H2O2生成具有强氧化性的羟基自由基（·OH），从而实现对污染物的氧化降解。

2.2.1 还原降解

MFC阴极的还原降解一般应用于对染料废水治理方面。在阴极厌氧环境下，染料作为电子受体与阳极传递来的质子、电子结合，发生还原反应。染料被还原后发色基团发生断裂，实现脱色。崔旸等[4]研究发现，以硫化菌作为产电微生物，甲基橙作电子受体时，双室MFC能实现对甲基橙的完全脱色。Oon等[5]以不同的偶氮染料（新胭脂红、酸性橙7、活性红120、活性绿19）作MFC阴极电子受体，研究染料结构对MFC还原降解的影响。结果表明，新胭脂红降解率最佳，为（95.5±1.1）%;酸性橙7次之，为（94.9±0.9）%，活性红120和活性绿19降解率分别为（78.5±7.2）%、（81.7±1.2）%。

2.2.2 氧化降解

MFC阴极的氧化降解一般是MFC和芬顿氧化技术的耦合（MFC-Fenton体系），其通过阴极氧气作电子受体接受电子产生H2O2，外投Fe2+后，Fe2+和H2O2生成羟基自由基（·OH）。·OH作为一种强氧化性物质，其氧化还原电位能达到2.8V，对绝大多数污染物均有较好的降解。

Fu等[6]分别以Fe2+、Fe3+作为芬顿试剂加入MFC阴极，降解目标污染物苋菜红。结果表明，以1mmol/L Fe2+作芬顿试剂，1h内可以完全降解。以Fe3+作芬顿试剂，Fe3+会在MFC阴极被还原成Fe2+，Fe2+与MFC原位生成的H2O2反应，1h内苋菜红降解率达到76.4%。

研究者[7]通过比较褐铁矿、磁铁矿和赤铁矿3种铁矿粉投加到MFC-Fenton体系中，对模拟废水中的橙Ⅱ染料的效果。结果表明，3种铁矿均能够催化形成生物电芬顿体系，其中褐铁矿的催化效果最好，2.5h橙Ⅱ染料的去除率可达到98%以上。向50mL阴极体系中投加0.1g褐铁矿，可以维持体系在较高的氧化效率下连续运行20个周期，且没有残渣产生。

目前MFC阴极对废水的处理一般包括还原和氧化两种途径，其中还原降解存在以下弊端：当阴极污染物（一般为染料）被还原后，分子结果被破坏，大分子有机污染物被将降解成小分子污染物，但是小分子污染物无法继续被还原降解完全成无机物质。而MFC-Fenton技术通过原位生成H2O2，外投金属离子的方式生成·OH，能有效降解偶氮染料。与传统技术相比，具有能耗低、二次污染小、效率高等优点。

3 结语

微生物燃料电池作为一种新型技术能有效降解有机污染物并产生电能，且不会产生二次污染。其中MFC阴极耦合芬顿氧化的技术受限制因素小，具有较好的应用前景。通过继续研究，增强污染物处理效率及产电性，缩小处理成本，对水环境污染治理具有较好的实际意义。

参考文献

[1]关毅，张鑫，等.微生物燃料电池[J].化学进展，2007，19（1）：74-79.

[2]LI Z，Zhang X，Lin J，et al. Azo dye treatment with simultaneous electricity production in an anaerobic–aerobic sequential reactor and microbial fuel cell coupled system[J].Bioresosurce Technology，2010，101（12）：4440-4445.

[3]YOU S，ZHAO Q，JIANG J，ZHANG J，ZHAO S.Sustainable approach fur leachate treatment：Electricity generation in microbial fuel cell [J].J Environ Sci Heal A，2006，4l（12）：272l-2734.

[4]崔旸，苏文涛，高平，等.还原性硫化物微生物燃料电池偶联偶氮染料降解[J].应用与环境生物学报，2012，18（6）：978-982.

[5]OON Y S， ONG S A，HO L N，et al.Microbial fuel cell operation using monoazo and diazo dyes as terminal electron acceptor for simultaneous decolourisation and bioelectricity generation[J].Journal of Hazardous Materials，2017，325（5） ： 170-177.

[6]FU L，YOU S J，ZHANG G Q，et al.Degradation of azo dyes using in-situ Fenton reaction incorporated into H2O2-producing microbial fuel cell.Chemical Engineering Journal[J].2010，160（1） ： 164-169.

[7]陶虎春，丁輝，等.应用天然褐铁矿催化生物电芬顿体系氧化橙Ⅱ染料[J].应用基础与工程科学学报，2014，22（4）：625-633.

收稿日期：2020-07-27

作者简介：张磊（1982-），汉族，硕士，中级工程师，研究方向为工业水处理、环境影响评价等。