微生物燃料電池在廢水處理中的應(yīng)用
一.導(dǎo)言
近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加快，不可再生能源日益枯竭；各種廢水的排放量及其排放標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越高，微生物燃料電池越來(lái)越受到人們的重視。微生物燃料電池(MFC)作為一種創(chuàng)新技術(shù)，不僅可以降低廢水處理的成本，而且為人類獲取能源提供了一種新的途徑。然而，它在投入運(yùn)行時(shí)仍存在許多弊端，嚴(yán)重阻礙了MFC技術(shù)的發(fā)展。因此，為了推廣這一新技術(shù)，有必要對(duì)MFC進(jìn)行更深入的研究，增加其投入實(shí)際運(yùn)行的可行性。
本文綜述了MFC技術(shù)在處理各種廢水方面的研究進(jìn)展，以期在環(huán)境治理和能源方面得到更廣泛、更深入的應(yīng)用，并為今后的研究工作提供參考。
二、MFC在實(shí)際廢水處理中的性能
2.1市政或生活污水
目前，市政生活污水處理廠通常采用好氧活性污泥法污水處理。在曝氣階段，對(duì)電能的需求很大，在過(guò)程的最后會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥。由于其排放量大，污水處理廠的運(yùn)行成本高。MFC可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)處理技術(shù)的不足，符合廢物資源化的原則。
隨著對(duì)微生物燃料電池實(shí)際應(yīng)用研究的不斷深入，生物陰極微生物燃料電池已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。PuigS等人建立并使用空氣陰極的單室MFC系統(tǒng)模型處理生活污水，功率輸出為1.14W/m3，COD去除率為80.0%。RodrigoMA等采用雙室MFC，COD去除率為30.0%，功率密度較大，為25mw/m，Li等。采用三室MFC的短程硝化反硝化組合，TN去除率高達(dá)99.9%，凈產(chǎn)電量為0.007kW-h/m3。謝等采用好氧、缺氧生物陰極的雙室或三室MFC，其TN去除率高達(dá)97.3%。崔等人構(gòu)建了三室雙陰極MFC系統(tǒng)，結(jié)果表明該MFC系統(tǒng)對(duì)COD和NHJ-N有很好的去除效果，去除率分別高達(dá)98%和95%。缺氧陰極和好氧陰極的功率密度分別為1.88W/m3、0.74W/m3和0.59W/m3。
1.2農(nóng)業(yè)廢水
畜禽糞便廢水是農(nóng)業(yè)廢水的主要組成部分，含有大量的有機(jī)物、懸浮物、氮和磷，排放惡臭氣體，水量大，排放集中，對(duì)環(huán)境和水體造成嚴(yán)重污染。因此，必須對(duì)農(nóng)業(yè)廢水進(jìn)行處理，以解決水污染和臭氣問(wèn)題，而能夠凈化富含有機(jī)物的農(nóng)業(yè)用水并產(chǎn)生電能的MFC系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)廢水處理的新方向。
閔等首先將雙室液相陰極MFC和單室空氣陰極MFC應(yīng)用于豬場(chǎng)廢水的研究。結(jié)果表明，雙室MFC在處理溶解化學(xué)需氧量為8，320 mg/L的豬場(chǎng)廢水時(shí)可獲得45mW/m2的較大功率密度，而單室MFC在處理較高濃度的豬場(chǎng)廢水時(shí)可獲得261mW/m2的較大功率密度，氨氮去除率達(dá)到83%。之后，Yokoyama等人用單室空氣陰極反應(yīng)器處理牛糞時(shí)，COD和BOD的去除率分別為70%和84%，較高的功率密度為0.34mW/m2。MFC可以降解養(yǎng)殖廢水中的有機(jī)物，同時(shí)獲得電能，從而保護(hù)環(huán)境和水體免受污染。該技術(shù)為農(nóng)業(yè)廢水的處理提供了極大的幫助。
1.3工業(yè)廢水
1.3.1水晶加工廢水
食品工業(yè)廢水有機(jī)物和懸浮物含量高，一般毒性小，主要包括制糖廢水、淀粉加工廢水、啤酒釀造廢水、乳品廢水等。許多研究人員已經(jīng)使用MFC系統(tǒng)來(lái)發(fā)電和處理它。Kapadnis等人首次以活性污泥為微生物源，以巧克力工業(yè)廢水為底物，構(gòu)建了雙室MFC。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，ts(處理前為2344mg/L，處理后為754mg/L)，BODS(處理前為640mg/L，處理后為230mg/L)和COD(處理前)，文等人首次構(gòu)建了雙極室連續(xù)流MFC處理啤酒廢水。研究表明，采用雙極室連續(xù)流MFC可大大提高廢水處理效果，啤酒廢水化學(xué)需氧量(COD)總?cè)コ士蛇_(dá)92.2%-95.1%。趙海等。首次采用空氣陰極MFC處理甘薯燃料乙醇廢水，以COD為5000mg/L的廢水為底物。最大電功率為334.1mW/m2，庫(kù)侖效率為10.1%，COD去除率為92.9%。
1.3.2染料廢水
工業(yè)廢水(主要來(lái)自染料制造業(yè)和紡織業(yè))中含有大量的合成化學(xué)染料。染料廢水具有色度高、成分復(fù)雜、生物毒性大、處理難度大的特點(diǎn)。如果直接排放，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，必須進(jìn)行深度處理。微生物電化學(xué)系統(tǒng)處理染料廢水是一種高效節(jié)能環(huán)保的技術(shù)。
MFC對(duì)某些染料脫色能力的研究。Kalathil等人首次開發(fā)了一種顆?；钚蕴炕?GACB-MFC)，無(wú)需任何昂貴的材料，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)真實(shí)染料脫色和生物發(fā)電。結(jié)果表明，陽(yáng)極和陰極的脫色率分別為73.0%和77.0%。COD去除率分別為71.0%和76.0%。孫等將單室MFC系統(tǒng)引入到活性艷紅X濃度為300mg/L的偶氮染料廢水處理系統(tǒng)中，較大處理量為0.842 w/m3，羅等首次采用雙室MFC系統(tǒng)處理苯酚濃度為1000mg/L，葡萄糖濃度為500mg/L的混合廢水，與400mg/L的單室MFC系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。高功率密度從9.1W/m3提高到28.3W/m3，60h內(nèi)去除率超過(guò)95%，表明無(wú)需共基質(zhì)即可降解苯酚并產(chǎn)電。
二、發(fā)展前景
與傳統(tǒng)的廢水處理方法相比，MFC處理效果好，工藝流程短，并且可以發(fā)電。因此，MFC系統(tǒng)有望成為一種可持續(xù)發(fā)展的新型系統(tǒng)，以滿足日益增長(zhǎng)的廢水處理和環(huán)境保護(hù)的能源需求。目前，MFC應(yīng)用于廢水處理的研究主要是小型實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。雖然過(guò)去十年的研究已經(jīng)將其功率密度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但還需要進(jìn)一步的突破才能將這些系統(tǒng)擴(kuò)展到大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用中。
(1)目前，MFC是由單一菌株構(gòu)建的。在實(shí)際應(yīng)用中，單一菌株無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜的水質(zhì)變化。篩選能代替單一菌株作為電子供體的微生物是今后的研究方向之一。
(2)陰陽(yáng)極室內(nèi)的MFC被質(zhì)子交換膜隔開，不利于MFC的擴(kuò)展。單室設(shè)計(jì)的MFC有利于其擴(kuò)展使用，即質(zhì)子交換膜纏繞在陰極棒上，置于陽(yáng)極室中，但其大規(guī)模使用還需測(cè)試。電能的傳輸主要受陰極的影響。陰極產(chǎn)生的氧氣通過(guò)質(zhì)子交換膜后會(huì)影響陽(yáng)極的兼性厭氧菌。氧作為電子受體而不是電極，嚴(yán)重影響電的輸出。因此，陰陽(yáng)極材料的選擇是MFC的重要研究方向之一。
(3)在環(huán)境污染和能源短缺的今天，MFC在降解各種廢水的同時(shí)發(fā)電有很大的發(fā)展空間。隨著生物和化學(xué)交叉研究的深入，微生物燃料電池將在污水處理和能源可持續(xù)發(fā)展方面得到更廣泛的應(yīng)用。(來(lái)源:蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院)
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