微生物燃料電池耦合技術研究進展

摘 " " "要： 微生物燃料電池是一種將微生物技術與電池技術相結合的產物，由于微生物燃料電池具有高效、無污染及工作條件溫和等特點，引起科技工作者的廣泛關注。介紹了微生物燃料電池工作原理，并對微生物電解池的耦合技術進行了闡述，并在最后提出了結論，對微生物電池的未來發展提出展望。

關 "鍵 "詞：微生物燃料電池； 產電； 耦合

中圖分類號：TQ201 " " 文獻標識碼： A " " 文章編號： 1004-0935（2023）07-1051-04

微生物燃料電池（MFC）作為一種新型的具有產能和污水處理雙重功能的能源轉換裝置[1]，由于其應用領域廣泛而備受到人們的關注。其利用產電微生物的催化活動將化學能轉化為電能，從污水中的有機物獲取電能，有節能減排、成本較低等諸多優點，同時MFC維護起來也十分簡單，在常溫、常壓下，中性環境中就能穩定運行。正因如此，MFC為環境工程和能源技術領域的研究人員提高了新的機遇和發展空間[2]，逐漸成為污水處理領域新的科研要端。

1 "MFC技術原理

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一種以微生物為催化劑，將化學能直接轉化為電能的裝置[3-4]。其主要由電極與陰陽極室組成，離子交換膜將兩級室進行物理分割，在厭氧條件下，陽極中產電微生物氧化有機物同時產生電子與質子，質子經過質子交換膜被導向陰極室電子將轉移至電極上，進而經過外部電路轉移至陰極室，與電子受體及穿過質子交換膜的質子發生反應，形成一系列電化學過程[5-6]。與其他生物方法相比，微生物燃料電池具有無需從外界攝入能量、成本低、應用條件廣泛溫和以及在未能滿足自身用電需求的地區具有更加開闊的應用價值等特點，因此在深度探究處理污水產電方面具有十分光明的發展前景。

2 "MFC與其他技術的耦合應用

2.1 "CW——MFC技術

人工濕地（ConstructedWetland，簡稱CW）是人工設計和建造[7]，通過微生物降解、沉淀、過濾等對污水進行處理的具有可控性和工程性的濕地系統。MFC要求陽極處于厭氧狀態[8]，陰極暴露在氧氣中，而這些條件在人工濕地中均能自然產生，因此，CW-MFC結合的方法在近些年被廣泛研究。Fang等[9]研究了水力停留時間（HRT）、活性艷紅X-3B（ABRX3）比例和COD濃度對CW-MFC產電效率的影響以及ABRX33的降解特性。當HRT時長為3天時，獲得最高的脫色率和產電量，其中脫色率最高時達92.83%，功率密度最高達0.061 9 W/m3，當COD質量濃度為300 mg/L，ABRX3比例為30%時，功率密度和脫色率分別可達0.852 W/m3和95.6%。CW-MFC的最高庫侖效率為1.89%。Chunxia Mu等[10]通過建立向上流動的CW-MFC系統，研究4種不同填料（生物陶瓷（CW-MFC1）、沸石（CW-MFC2）、方解石（CW-MFC3）和火山巖（CW-MF4））對于去除Cr（VI）和發電的影響。研究發現，Cr（VI）的去除率依次為：CW-MFC4（99.0%）gt;CW-MFC2（95.5%）gt;CW-CFC3（89.7%）gt;CW-MFC1（72.2%）。CW-MFC系統的輸出電壓和最大功率密度依次為：CW-MFC3gt; CW-MFC4gt;CW-MFC2gt;CW-MFC1，證明了火山巖作為填料最合適，他可以最大限度的提高Cr（VI）的處理效果好，并獲得較高的生物發電量（輸出電壓0.595±0.019 V，功率密度0.462 W/m3）。Cong-Yun Zhu等[11]將CW-MFC與厭氧顆粒污泥（AGS）相結合，探索強化氨化-硝化-反硝化工藝脫氮性能。一般而言，Org-N到NH3-N、NH3-N到NO2-N/NO3-N和NO3-N到氣態氮的轉化效率分別約為80%、18%和90%。當補充曝氣速率為50、100和200 mL·min-1時，硝化過程可達到45%、94%和98%。Meixue Dai等[12]研究了CW-MFC系統處理廢水中磺胺甲惡唑的機理，評估了磺胺甲惡唑的去除量、細胞外聚合物含量、微生物群落進化以及與抗生素抗性相關的基因豐度變化。

2.2 "PEC——MFC耦合技術

為克服光催化過程中光生電子-空穴對復合的局限性，提出了光電催化技術（Photoelect- roCatalytictechnology，簡記為PEC）。光電催化（PEC）技術是將電催化（EC）和光催化（PC）結合來提高污染治理效率[13]，微生物燃料電池提供光電催化所需的低電壓，降低PEC的能耗，提高處理效率。該系統充分發揮了兩者的優勢，成為微生物燃料電池研究的新方向。Long等[14]采用MFC-PEC組合系統，來進一步提升對偶氮染料的去除效果。實驗證明，與單獨使用MFC相比，MFC-PEC具有協同作用。在MFC部分，化學需氧量（COD）降低了56%，脫色率降低了85%，在氧化鈦納米管作為光電電極的PEC部分進一步降低了25%和12%。一方面，PEC使MFC的最大電流提高14.2%，提高了MFC中COD的去除速度和脫色進程，提高了三磷酸腺苷（atp）水平; 另一方面，該系統顯著提高了PEC中染料的去除效果。循環伏安圖說明了該體系中中間產物的降解情況。該體系對高濃度偶氮染料達到了顯著的深度脫色和快速的毒性中間產物降解效果。Manman Zhang等[15]開發并應用了一種新的光電催化（PEC）和微生物燃料電池（MFC）工藝，可去除廢水中苯酚和苯胺，同時能回收能源供原位利用。利用微生物燃料電池過程產生的電流驅動質子交換膜反應。與單一工藝相比較，復合工藝具有降解能力和產電能力。即使在高初始濃度下，組合工藝也可去除95%以上的苯酚或苯胺。苯酚和苯胺的COD去除率分別可達96%和70%。盡管PEC工藝對苯酚和苯胺的去除貢獻有限（分別為16.5%和43%），但與未處理的水相比，PEC處理的苯酚或苯胺流的利用導致MFC具有更高的電壓輸出、更高的庫侖效率、最大體積功率密度和更低的內阻。高效液相色譜結合質譜測量顯示，在PEC工藝后，醌/對苯二酚和低分子量有機酸將作為中間體產生，這可以改善MFC中的產電量。蘆旭光等[16]對PEC-MFC進行改性，構建了單循環C-PEC-MFC和雙循環CC-PEC-MFC體系。

2.3 "電芬頓——MFC耦合技術

電芬頓法作為一種新型的高級氧化技術[17]，該技術源于Fenton技術。電芬頓-微生物燃料電池耦合體系是一種新型的組合工藝。其原理是：陽極室產生的電子通過外部電路到達好氧陰極后，產生H2O2，然后與體系中加入的Fe2+反應，實現污染物降解。根據H2O2產生位置和方式的不同，電芬頓—微生物燃料電池耦合技術也可分為原位耦合體系和異位耦合體系。Feng等[18]用PPy/AQDS導電膜對陽極和陰極進行改性，并應用MFC驅動陰極室中發生的電芬頓反應，提高MFC功率性能。實驗證明該方法可以顯著提高陰極室中OrangeII脫色和礦化的反應速率，與未改性相比，改性的MFC顯示出優越的生成H2O2的能力，從而提高電芬頓系統對有機污染物破壞的氧化能力。該系統進一步應用于破壞其他不可降解污染物，如硝基芳香族化合物和氯化芳香族化合物，對廢水處理具有實際意義。毛開偉[19]處理垃圾滲濾液時，利用功能化碳納米管功化炭黑對微生物電芬頓陰極進行修飾，提高過氧化氫產量，催化劑負載0.4 mg/cm2， 污水中污染物降解率達到91%，COD最終能降解到84 mg/L。LeiFu等[20]研究使用MFC-Fenton系統研究了偶氮染料覓菜紅的降解，在該系統中，當施加0.5 mmol/L Fe3+的MFC- Fenton體系中，COD去除率達76.43%，陰極電位穩定性好，同時，最大功率密度為28.3 W/m3，大于K3Fe（CN）6作為陰極電子受體時的17.2 W/m3。Zhao等[21]發現MFC-Fenton系統可以通過同時進行微生物降解和Fenton氧化過程來實現中甲基磺草酮的高效去除。在3D模型優化的條件下，陽極微生物降解法和陰極Fenton氧化法的中甲基磺草酮去除率分別達到0.83 mg·L-1h-1和1.39 mg·L-1h-1。

2.4 "MEC——MFC耦合技術

微生物電解電池（MicrobialElectrolysis-Cell，簡稱MEC）是一個消耗電能的過程。MEC與MFC相結合，利用MFC產生的電能作為MEC的電源，該系統主要利用廢水產生電能實現MEC制氫或制甲烷。 MinSun等[22]電輔助微生物燃料電池（MFC）與產氫微生物電解池（MEC）耦合，通過調節MEC上的功率輸入來控制MEC–MFC耦合系統中的氫氣產生，研究顯示當MFC串聯連接時，氫氣產生顯著增強。相比之下，并聯稍微減少了氫氣的產生，串聯連接多個電力輔助MFC有可能提高有機廢物中MEC的制氫能力。YangLi等[23]的研究中，不難看出建立的MFC-MEC耦合系統對偶氮染料脫色能力。實驗得出，MFC-MEC耦合系統對比單獨的MFC系統，其脫色率從36.52%提升到了75.28%，通過消耗更多的乙酸鹽和K3Fe（CN）6，進而MFC原位發電，偶氮染料脫色在耦合系統中可以顯著增強。而陰極pH值在7.0～10.3范圍內對耦合系統中的反應器性能影響不大。吳丹菁等[24]采用MFC-MEC耦合系統自驅動運行回收含Co（Ⅱ）溶液中的金屬鈷，Co（Ⅱ）可以不需要其他電能在MEC的陰極室被回收。當MEC分別以鈦板、不銹鋼、碳紙為陰極材料，經實驗證明，碳紙作為陰極電極材料得到的回路電流高，有利于Co（Ⅱ）的還原，回收效果好。當陰極液pH為3，陽極庫倫效率20.5%，電極極距16 cm，Co比回收率0.85 g Co/g COD時，陰極Co（Ⅱ）去除率可達到97.4%。潘璐璐等[25]構建MFC-MEC體系，有利于含鎘重金屬廢水的處理，Cr6+去除率最高可達80%以上。

3 "結 論

MFC作為同步廢水降解與產電的綠色能源技術，其大規模應用于污水處理的潛力巨大，但廢水處理效率低、成本高、產電率低等是限制MFC實際應用的主要因素。近年來，人們對MFC的研究已經不局限于單一的MFC系統，基于本文各節的探索，將微生物燃料電池與人工濕地、光電催化、電芬頓以及微生物電解池進行耦合應用，可充分利用MFC產生電能，降低相關技術的能耗，實現能源最大化利用。進一步提高MFC耦合系統中電能的轉換利用效率，提高污染物處理效率將是MFC耦合系統下一步的主要研究方向。同時，有必要開發新型耦合系統結構和初步研究，為耦合技術的應用提供理論技術。

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Research Progress in Microbial Fuel Cell Coupling Technology

JU Yi-qiu

（Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract： Microbial fuel cell is a product that combines microbial technology with battery technology. Due to the characteristics of high efficiency， no pollution and mild working conditions， the microbial fuel cell has attracted wide attention of scientific and technological workers. In this paper， the working principle of microbial fuel cell was introduced， the coupling technology of microbial electrolytic cell was expounded， and the conclusion for the future development of microbial cell was proposed.

Key words： Microbiological fuel cell; Electrogenesis; Coupling