微生物燃料电池处理废水时的产电性能研究

设计了一个经典的双室微生物燃料电池，并考察了其在接种厌氧污泥条件下对葡萄糖模拟废水的产电性能。试验主要考察了 电池系统在不同的电极材料及不同COD浓度下的产电性能及废水处理效率。结果表明，该电池在初始COD为1000mg/L，以石墨为电极 的运行条件下产电性能最好，最大电流密度为 4.4mA/m2。在不同的COD浓度下，该系统对废水中COD的去处率都稳定在70%。另外实验 还考察了好氧污泥代替空气作为电子受体后电池系统的产电性能及废水处理效率。在该条件下，微生物燃料电池的产电性能得到了显著 的提高，输出电流密度约为17.3mA/m2，同时其对废水中的COD去除率达到了82%。

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，简称为MFC） 是一种利用微生物体作为催化剂将有机物质及无机 物质氧化并产生电能的装置 [1]。随着环境问题日益严 峻以及经济高速发展对能源需求的日益增加，微生物 燃料电池也越来越受重视。Logan等[2]以城市生活污 水为营养物质构造的新型微生物燃料电池实现了污 水处理的同时回收电能，从而在一定程度上降低了污 水的处理成本。

然而，现在国内外大部分的微生物燃料电池研究 都集中在单容器型的微生物燃料电池，重点都围绕着 减少微生物燃料电池的内阻，从而提高微生物燃料电 池的产电性能[3]。传统的废水处理工艺中，生物处理部 分主要是由好氧生物处理和厌氧生物处理组成。这与 传统的双室微生物燃料电池的构造相匹配。因此，双 室微生物燃料电池是应用到实际废水处理过程中，实 现废水处理和能源回收的理想模式。

基于上述观点，本研究设计了一个经典的无介体 双室微生物燃料电池，利用该电池系统对模拟生活污 水进行处理并考察了该过程中系统的产电性能，为微 生物燃料电池应用到实际的废水处理过程中提供科学依据。

1实验装置和方法

1.1无介体双室微生物燃料电池系统的搭建

微生物燃料电池系统如图1所示，该电池由有机 玻璃制成，主要由阴极室和阳极室两部分构成。 由恒温磁力加热搅拌器对阳极室内的混合液进 行连续搅拌，以保证营养物质和微生物体充分混合。阴极室内则由一小型空气泵对内曝气充氧。单室呈圆柱 型，有效容积为2009mL（Φ80mm×400mm），两电极均 由石墨制成，有效面积为 350cm2。阴阳两室以质子交 换膜（Nafion 117，杜邦）连接，其连接处有效面积约为 13cm2。外电路负载是一可调电阻箱（ZX97E）（1- 1000000Ω）。该燃料电池产生的电压信号由外接的数 据采集系统（personal Daq/56）自动收集。

1.2实验条件

阳极室中的接种污泥是来自北京市高碑店污水 处理厂污泥消化池中的消化污泥。在室温下利用 COD约为200mg/L的葡萄糖模拟废水培养7天，以恢 复污泥的活性并富集菌种。基质为葡萄糖配制成的营 养储备液，pH值保持在7左右[4-5]，COD约为1000mg/L。 厌氧泥及基质在进入反应器前，均需通入一定时间的 氮气以去除其中的溶解氧。在整个实验过程中保持阳 极室中的厌氧状态，当一个产电周期结束后，停止搅 拌，待混合液中污泥沉降完全后，弃去上清液，重新添 加新的营养物质。整个微生物燃料电池的运行温度基 本维持在35℃左右[6-7]。整个实验过程中，保持外路电 阻不变，约为 100Ω。

1.3分析项目与方法

化学需氧量COD测定：按照GB/T 11914-89规 定测定。

电化学性质的确定：电池的输出电压U由数据采 集系统自动记录，电路中的电流大小I=U/Rw，其中Rw 为外阻大小。电流密度ρ（I）=I/A，其中A为电极的有 效面积。功率密度ρ（P）=ρ（I）×U。

2试验结果

2.1不同电极材料对微生物燃料电池产电性能的影响

对于微生物燃料电池而言，电极材料直接关系到 该电池的电子传输速率以及其内阻大小，对其产电性 能有着显著的影响。本试验主要考察了两种电极材料。一种是成本较 低，机械强度较好的石墨。由于石墨电极的反应表面为 平面，故选用碳纤维纸（简称为碳纸）（GEFC- GDL3，北 京金能）作为对比的电极材料，同传统的石墨电极相 比，碳纸具有体积小，重量轻，孔隙率高等优点。两电极 材料的对比实验都是在COD为 1000mg/L，外阻为 100Ω的条件下进行的。在底物中COD的浓度都为 1000mg/L时，两者产电性能的比较如图2所示。

从图2可知，石墨电极产电的稳定性优于碳纸电 极，在其后期该趋势显得更加明显，石墨电极外路的 平均电流密度比碳纸电极高出30%，达到 4.4 mA/m2。 此外，在以碳纸和石墨为电极的条件下，电池系统对 模拟废水中COD的去除率均保持在70%以上，出水 COD都保持在300mg /L。因此，对于石墨和碳纸而言， 无论采用何种电极材料，对微生物燃料电池的废水处 理效果是没有显著影响的。