复合生物阴极型微生物燃料电池处理废水及同步产电性能

第30卷第7期2017年7月环境科学研究ResearchofEnvironmentalSciencesV〇1.30,N〇.7July,2017王琳，李雪，王丽.复合生物阴极型微生物燃料电池处理废水及同步产电性能[J].环境科学研究,2017,30(7):109S-1104.WANGLin,LIXue,WANGLi,eial.Performanceofahybridbiocathodemicrobialfuelcellforwastewatertreatmentandelectricitygeneration[J].ResearchofEnvironmentalSciences,2017,30(7)：1098-1104.复合生物阴极型微生物燃料电池处理废水及同步产电性能王琳\李雪\王丽21.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛2660002.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150001摘要：为研究生物阴极在MFC(微生物燃料电池）中的应用，分别以粒径为2〜4mm的颗粒活性炭和粒径为2〜4、4〜8、8〜12mm的颗粒石墨为阴极基质材料，构建升流复合生物阴极型单室MFC,研究阴极基质材料的种类和粒径对MFC的产电性能和净水效能的影响.结果表明：当阳极基质材料为2〜4mm粒径的颗粒活性炭时，燃料电池中利用玻璃纤维取代离子交换膜，阴极基质材料为选用4〜8mm粒径颗粒石墨的反应柱产电量最大，为534mV(外电阻为1000II)，最大功率密度达到631.6mW/m3，库伦效率为3.82%;阴极的pH越低越有利于阴极的产电反应；不同阴极基质材料的MFC对C0D&去除率均在80%左右，TN、NH4+-N及TP的去除率最高可分别达到79%、93%和34%.研究显示，阴极基质材料的种类和粒径对MFC的产电性影响较大，但对其净水效能的影响不大.关键词：微生物燃料电池；生物阴极；污水净化；产电；阴极基质材料中图分类号：X703.1文章编号：1001-6929(2017)07-1098-07文献标志码：ADOI：10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.36PerformanceofaHybridBiocathodeMicrobialFuelCellforWastewaterTreatmentandElectricityGenerationWANGLin1,LIXue1,WANGLi21.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China2.SchoolofEnergyScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,ChinaAbstract：Anup-flowsingle-chamberbiocathodemicrobialfuelcellwasappliedtoinvestigatetheeffectofcathodesubstratematerialonpowergenerationandwastewatertreatment.Granularactivatedcarbon(2-4mm)wasusedastheanodesubstratematerial,andgranulargraphite(2-4,4-8,8-12mm)wasusedasthecathodesubstratematerial.Glassfiberwasusedasseparatorsbetweenelectrodes.Whenthegranulargraphite(4-8mm)wasusedasthecathodesubstrate,theelectricitygeneratedwasuptoavoltageof534mVandapowerdensityof631.6mW/m3.Themaximumcoulombicefficiencywas3.82%,andtheexternalresistancewas1000(l.Thehighcathodehydrogenionconcentrationcouldresultinhighcathodepotentialthatwasconducivetoelectricityproductionresponseinthecathodecompartment.TheremovalefficiencyofC0DCrwasonaverage80%ofMFCswithdifferentcathodesubstratematerial.Besides,themaximumremovalefficienciesofthetotalnitrogen,ammonianitrogenandtotalphosphoruswere79%,93%and34%,respectively.Theresultsindicatedthatthematerialandparticlesizeofcathodesubstratehadagreateffectonelectricitygeneration,buthadlittleeffectonthewastewatertreatment.Keywords：microbialfuelcell；biologicalcathode；wastewatertreatment；electricitygeneration；cathodesubstratematerialMFC(microbialfuelcell,微生物燃料电池）可以收稿日期：2016-08-31修订日期：2017-04-11基金项目：国家留学基金管理委员会项目（201203070391)作者筒介：王琳（1966-)，女，黑龙江哈尔滨人，教授，博士，主要从事污水处理与回用、污水处理实用技术、污泥减量、安全饮用水研究，[e-mail].利用微生物降解污水中的有机污染物，同时将有机污染物中的化学能转变为电能，在净化有机污染物的同时回收电能，同步解决能源与环境问题[1_3].从MFC的组成来看，阳极肩负着微生物附着及传递电子的作用，是决定MFC产电性能的重要因素，因此阳极氧化产生电子的过程一直是研究热点[4_6]，但阴极作为第7期王琳等：复合生物阴极型微生物燃料电池处理废水及同步产电性能1099MFC的重要组成部分，是阳极传递的电子与电子受体进行还原反应的重要场所，同样是制约MFC产电的重要因素之一，因此也越来越受到重视[7~.早期的MFC常常在阴极加人金属催化剂以提高产电性能，但由于高效催化剂的价格高昂，增加了运行成本，不利于MFC的规模化应用[1°_12].谢珊等[13]提出生物阴极取代化学阴极是MFC的发展方向.利用微生物作为阴极催化剂，在降低MFC运行成本的同时增强了MFC运行的稳定性，还可以利用阴极微生物的代谢作用提高废水中污染物的去除效率，因此，近年来生物阴极型MFC成为研究的热点[14_16].目前对阴极的研究主要集中在阴极材料的优化和修饰[17_18].LIU等[19]分别以不镑钢网（stainlesssteelmesh，SSM)、碳布（carboncloth，CC)及颗粒活性炭（granularactivatedcarbon，GAC)为材料构建生物阴极型MFC,研究显示，GAC-SSM生物阴极获得最高功率密度，为55.05mW/m2.许多研究表明颗粒活性炭和颗粒石墨是很好的阴极材料，其不仅具有很好的导电性能，同时其多孔结构也为生物膜的附着生长构建复合生物阴极提供有利条件[2°_22]，但关于颗粒粒径对MFC性能影响的研究甚少.小颗粒填充材料有利于提高电极的比表面积，增加电极表面活性位的份额，但当颗粒过小时易出现基质堵塞、板结；大颗粒有利于底物及气体在基质间扩散，但颗粒过大又会降低电极的比表面积.因此，阴极基质材料只有在具备合理的尺寸分布时才能形成结构合理的生物膜，才有利于生物膜对电子的传递，并使底物和溶解氧顺利扩散到生物膜内部，减少生物膜死亡脱落造成电极表面活性位堵塞和失活.该研究构建复合生物阴极型单室微生物燃料电池，阳极基质材料选用颗粒活性炭，阴极基质材料分别选用不同规格的颗粒活性炭和颗粒石墨，利用污水进行调试挂膜形成复合生物阴极，研究阴极基质材料的种类和粒径对MFC净化及产电性能的影响；同时，利用玻璃纤维代替离子交换膜形成水力质子输送，提高质子传递效率，试图有效降低MFC内阻，为分隔材料对MFC性能的影响提供理论支持.1材料和方法1.1试验装置及材料MFC系统由内径为18cm的有机玻璃圆筒制成，总高52cm,分别在18、28、38cm处设采样口（见图1)，共4个反应柱.每个反应柱总容积为13.20L，有效储水容量为7.30L;阳极区总容积为2.54L，有效储水容量为1.35L.从下往上沿筒身分别为砾石层、火山岩层（粒径2〜5mm，厚度14cm)、MFC阳极电极层（厚度为10cm)、玻璃纤维层（厚度为1cm)、MFC阴极电极层（厚度为10cm)和火山岩层（粒径2〜5mm，厚度14cm).其中砾石层起承托作用，火山岩层起过滤及吸附作用.4个反应柱的阳极基质材料均为颗粒活性炭，粒径为2〜4mm，比表面积为1000〜1500m2/g;反应柱1的阴极基质材料为2〜4mm粒径的颗粒活性炭，反应柱2、3和4的阴极基质材料分别为2〜4、4〜8、8〜12mm粒径的颗粒石墨.颗粒活性炭和颗粒石墨用蒸馏水至少洗涤3次后，用1mol/LHC1浸泡24h，然后再用蒸馏水洗涤5次以上[23].每个反应柱的阳极和阴极区域分别插人注：1一烁石;2—火山岩;3—活性炭颗粒;4一出水口；5—石墨棒;6—玻璃纤维;7—电阻;8一石墨颗粒（2~4mm);9—石墨颗粒（4~8mm);10—石墨颗粒（8~12mm);11一曝气管.图中数值单位为mm.图1MFC试验装置Fig.1DiagramofMFCreactor1100环境科学研究第30卷3根石墨棒（直径1cm,长16cm)作为电极，由铜导线（直径为1mm)接出连接1000II的电阻形成闭路，并采用环氧树脂将暴露于溶液中的金属部分密封，防止金属与溶液接触发生反应.另外，4个反应柱均在高35cm处进行曝气，曝气量为0.05m3/h.试验装置用黑色塑料袋包裹防止藻类大量繁殖造成堵塞[24]，运行环境温度为20〜25°C.1.2废水和接种污泥试验采用人工配制污水，其组成见表1.污水的p(CODCr)为（200±20)mg/L,PH为7.4±1.0.污水通过蠕动泵（BT100-1L)连续输送至MFC反应器，自下往上流，进水流量为2.5mL/min，水力停留时间2d.表1人工配制污水组成[25]Table1Thecompositionofsyntheticwastewater成分p/(mg/L)成分p/(mg/L)葡萄糖200MgS04-7H20200kno3252.5CaCl215NaH2P0432.44FeCl3-6H201Na2HP0417.95MnS04-H2028NaCl330CoC12-6H200.24NaHC03336Na2M〇04-2H200.04接种污泥取自青岛市团岛污水处理厂的二沉池回流污泥，p(MLSS)为20g/L.填充反应柱时，分别向每个反应柱的阳极及阴极区域均勻接入1.5L污泥用于系统的挂膜.1.3测试与计算方法输出电压（t/)通过数据采集卡进行在线记录，记录时间间隔为30s.电路中的电流（/)根据用欧姆定律计算：I二WR(1)式中：/为电流，A;[/为数据采集卡采集到的输出电压，v;/?为反应柱的外电阻，a电流密度的计算：j二I/V(2)式中:y为电流密度，A/m3;F为反应柱阳极区有效容积,m3.反应器的功率输出（P，W)及单位体积功率密度(PA,W/m3)：P=U2/R(3)PA=P/V(4)极化曲线采用稳态放电法测量，内阻采用极化曲线法测定，用欧姆