在氧化溝中構建微生物燃料電池

孫永軍，連 靜，呂光輝，劉俊新，肖本益

（1. 中國礦業大學（北京） 化學與環境工程學院， 北京 100083；2. 中國科學院 生態環境研究中心，北京 100085）

研究報告

在氧化溝中構建微生物燃料電池

孫永軍1，連 靜2，呂光輝1，劉俊新2，肖本益2

（1. 中國礦業大學（北京） 化學與環境工程學院， 北京 100083；2. 中國科學院 生態環境研究中心，北京 100085）

在氧化溝中構建了微生物燃料電池，經測定微生物燃料電池電壓為0.24～0.39 V，均值為0.29 V。經計算該微生物燃料電池的產電功率為0.05～0.15 mW，均值為0.08 mW。構建了微生物燃料電池的氧化溝COD去除率為75%～90%，TN去除率為5%～38%；無微生物燃料電池的氧化溝COD去除率為77%～89%，TN去除率為5%～23%。構建微生物燃料電池后能減少氧化溝內外溝中污泥的增加量，約減少15%。

微生物燃料電池；氧化溝；產電；廢水處理

氧化溝是一種由連續環式反應池構成的簡易廢水處理設施，是活性污泥法生化池的一種變型［1-2］。其特點是廢水在溝內不斷地循環流動，在溝內不同階段形成厭氧、缺氧和好氧段。氧化溝結構簡單、運行管理簡便、費用低，因此氧化溝廢水處理技術應用廣泛。微生物燃料電池技術是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的技術［3-6］，反應裝置的陽極區為厭氧環境，陰極區為好氧環境。近年來，應用微生物燃料電池技術去除廢水中有機污染物和產生電能的研究成為水污染控制領域的熱點之一［4-6］。目前，微生物燃料電池的構型可分為雙室式、上流式、平板式、單室式和電池組式。

氧化溝能夠同時提供微生物燃料電池技術所需要的好氧和厭氧環境，因此，可將微生物燃料電池技術應用于氧化溝廢水處理工藝，目前尚未見這方面的研究報道。本工作在氧化溝中構建了微生物燃料電池，并進行了廢水處理效果的研究。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗裝置為雙溝環一體化氧化溝，其結構示意見圖1。氧化溝的總有效體積為240 L，其中外溝（好氧區）為140 L，內溝（厭氧區）為100 L，在內外溝隔板上固定了一塊面積為175 cm2的質子交換膜，質子交換膜兩側分別固定陰陽電極，兩電極間距為3 cm。氧化溝的外溝以轉刷推動，內溝以水下攪拌器推動。

圖1 氧化溝的結構示意

1.2 實驗方法

將6片尺寸為4 cm×4 cm×0.5 cm的碳氈以1.5 cm的間距固定在石墨棒上，制成電極。碳氈的碳含量為0.15 g/m3。用銅電線將兩電極與一個500 Ω的固定電阻連接。

實驗廢水為中國科學院生態環境研究中心園區內的生活污水。在氧化溝的內溝和外溝均接種取自北京市某污水處理廠的回流污泥。廢水自進水口進入氧化溝的內溝，進水流量為17.5 L/h，然后在攪拌器的推動作用下一部分在內溝內循環，另一部分從內外溝隔板開口進入外溝，在轉刷的推動下在外溝流動，從沉淀區的排水口排出，沉淀區沉淀下來的污泥回流到內溝。內溝的DO為0.1～0.5 mg/L，外溝的DO為1.3～1.8 mg/L。實驗裝置運行了37 d，運行過程中不排泥。有微生物燃料電池的氧化溝稱為產電系統，用于對比的無微生物燃料電池的氧化溝稱為對照系統。實驗分兩批進行，兩批實驗的溫度基本相同，在第一批實驗結束后，取下兩電極，更換接種污泥進行第二批實驗，即對照實驗。

由于兩電極分別置于氧化溝的內溝和外溝，而內溝和外溝的DO不同，所以形成了一個微生物燃料電池。采用萬用表測定兩電極所形成電池的電壓。電池的產電功率（P，mW）按式（1）計算。

式中：U為電池電壓，V；I為外電路的電流，mA；Rex為外電路電阻，kΩ。

1.3 分析方法

采用文獻［7］的方法測定廢水COD和TN。

2 結果與討論

2.1 微生物燃料電池的產電性能

氧化溝中微生物燃料電池的產電電壓見圖2。由圖2可見：開始階段（0～4 d）微生物燃料電池產生的電壓明顯增加，這個階段屬于電池的馴化啟動期；實驗裝置運行階段，微生物燃料電池產生的電壓為0.24～0.39 V，均值為0.29 V。

圖2 氧化溝中微生物燃料電池的產電電壓

盡管陰極上沒有載鉑，但通過微生物的作用，可以實現陰極上的氧化還原［8］，但與載鉑陰極相比，氧化溝中微生物燃料電池陰極上的氧化還原作用較弱。通過式（1）計算得到氧化溝中微生物燃料電池的產電功率，見圖3。

圖3 氧化溝中微生物燃料電池的產電功率

由圖3可見，裝置穩定運行期間該微生物燃料電池的產電功率為0.05～0.15 mW，均值為0.08 mW。與文獻［9-12］報道的單室空氣陰極微生物燃料電池處理生活污水穩定期產生的電壓為0.43～0.44 V相比，本實驗氧化溝中微生物燃料電池產生的電壓和產電功率均較低，且波動較大。這是因為氧化溝中微生物燃料電池采用生物陰極，陰極上的氧化還原作用較弱［8-9］。另外，本研究采用的氧化溝為開放系統，內溝和外溝的環流作用會影響微生物燃料電池上產電微生物的生長［1-2］，導致產電微生物生長、富集較慢，而且會影響兩電極間的物質傳遞，從而影響微生物燃料電池的產電電壓和產電功率。

氧化溝中微生物燃料電池的參數見表1。由表1可見，隨裝置運行時間延長，氧化溝中微生物燃料電池的開路電壓和最大產電功率均增大，但內阻減小。說明隨著裝置的運行，產電微生物會逐漸得到馴化，并富集在處于氧化溝內溝的陽極上，使得電池的產電性能逐漸提高。與相關文獻［13］相比，該電池的開路電壓較低，內阻較大，這可能與裝置的結構和電極性質有關。

表1 氧化溝中微生物燃料電池的參數

2.2 氧化溝的廢水處理效果

產電系統和對照系統的COD去除情況見圖4。

圖4 產電系統和對照系統的COD去除情況

由圖4可見：產電系統氧化溝進水的COD為210～460 mg/L，出水的COD為41～62 mg/L，COD去除率為75%～90%；對照系統氧化溝進水的COD為208～408 mg/L，出水的COD為41～55 mg/L， COD去除率為77%～89%，兩者之間差異不大。

產電系統和對照系統的TN去除情況見圖5。由圖5可見：產電系統氧化溝進水TN為39～95 mg/L，出水TN為25～68 mg/L，初期TN去除率較低，僅為5%～7%，隨運行時間延長，后期達到22%～38%，后期TN的總去除量為17～36 mg/L；對照系統氧化溝進水的TN為54～114 mg/L，出水TN為52～86 m g/L，初期TN去除率僅為5%～6%，后期達到17%～23%，后期TN的總去除量為17～22 mg/L。可見構建微生物燃料電池后TN去除率和TN總去除量均比對照系統略有提高。

圖5 產電系統和對照系統的TN去除情況

從以上結果可以看出，在氧化溝中構建微生物燃料電池后，廢水的COD去除率和TN去除率沒有明顯變化。這可能是因為本研究所構建的微生物燃料電池的體積占整個氧化溝體積的比例很小，導致構建該微生物燃料電池產電后對整個氧化溝的廢水處理效果影響不顯著。另外，是否構建微生物燃料電池對氧化溝廢水的TN去除率都很低，這可能與實驗采用的氧化溝僅為雙溝結構有關。

氧化溝中污泥濃度的變化見圖6。由圖6可見，由于實驗過程中沒有排泥，氧化溝中內外兩溝中的污泥濃度均隨運行時間的延長而增加。產電系統的氧化溝中內外溝污泥濃度分別從2.42 mg/L和2.52 mg/L增加到3.53 mg/L和3.40 mg/L；對照系統的氧化溝中內外溝污泥濃度分別從2.44 mg/L和2.46 mg/L增加到3.69 mg/L和3.52 mg/L。由此可見，構建微生物燃料電池后能減少氧化溝內外溝中污泥的增加量，約減少15%，該結果與文獻［6-7］的報道相近。這是因為在氧化溝中構建微生物燃料電池后，可將廢水中的部分COD轉化為電能，從而減少了污泥的產生。

圖6 氧化溝中污泥濃度的變化

3 結論

a）在氧化溝中構建了微生物燃料電池。實驗運行階段，微生物燃料電池產生的電壓穩定在0.24～0.39 V，均值為0.29 V。該微生物燃料電池的產電功率為0.05～0.15 mW，均值為0.08 mW。

b）產電系統氧化溝COD去除率為75%～90%，TN去除率為5%～38%；對照系統氧化溝COD去除率為77%～89%，TN去除率為5%～23%。

c）構建微生物燃料電池后約能減少15%的氧化溝內外溝中污泥增加量。

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Construction of M icrobial Fuel Cell in Oxidation Ditch

Sun Yongjun1，Lian Jing2，Lü Guanghui1，Liu Junxin2，Xiao Benyi2

（1. School of Chem ical and Environmental Engineering，China University of M ining Technology，Beijing 100083，China；2. Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China）

A microbial fuel cell (MFC) was constructed in the oxidation ditch. The determ ination results show that the voltage produced by the MFC is 0.24-0.39 V with the mean value of 0.29 V. According to calculation results，the power produced by the MFC is 0.05-0.15 mW with the mean value of 0.08 mW. The removal rates of COD and TN in the oxidation ditch with MFC are 75%-95% and 5%-38% respectively，while those in the oxidation ditch without MFC are 77%-89% and 5%-23% respectively. Additionally，the construction of MFC in the oxidation ditch can reduce the increase of sludge in the internal and external ditch by 15%.

microbial fuel cell；oxidation ditch；power generation；wastewater treatment

X71

A

1006 - 1878（2012）02 - 0105 - 04

2011 - 11 - 03；

2011 - 12 - 05。

孫永軍（1974 —），男，河北省保定市人，碩士，講師，主要從事清潔化工方面的研究。電話13683294544，電郵 sunyongjun1974@163.com。聯系人：肖本益，電話 010 - 62923543，電郵 byxiao@rcees.ac.cn。

國家自然科學基金資助項目（51008296）；中央高校基本科研業務費資助項目（2009QH06）。

（編輯 祖國紅）