微生物燃料电池-人工湿地耦合系统的发展

高磊杨舒畅吴双荣王昊

高磊杨舒畅吴双荣王昊

河北省唐山市华北理工大学河北唐山063000

摘要：把人工湿地（constructedwetland）和微生物燃料电池（microbialfuelcell）结合是近年来兴起的一种新型处理污（废）水和能源生产技术。MFC阳极需要厌氧环境，阴极需要好氧环境。而CW基质层中可自发形成这种氧化还原电位差。于是出现了将两种技术相耦合的研究。CW—MFC技术还处在起步阶段，综述了国内外研究现状以及组成CW—MFC系统的要素和影响系统运行的参数。

关键词：人工湿地；微生物燃料电池；耦合系统；污水处理；产电

1CW—MFC的研究应用现状

印度的研究员Yadav[1]等最早开始研究CW/MFC工艺，其用石墨做MFC阴阳电极材料，用玻璃纤维做阻隔材料，耦合垂直流CW，研究耦合系统对印染偶氮染料的去除效果和产电效率。随后，中国，爱尔兰等也陆续开展对CW—MFC的研究。

根据水力分布条件的不同可将CW—MFC划分成垂直流和水平流，而为了提高氧化还原电位差，大多数研究采用垂直升流式条件，这种方式能保证阳极有最好的厌氧环境，而将植物根部和阴极设置在上方也保证了阴极良好的好氧环境，从而形成梯度电位差，有利于污水的处理效果和产电效率。

2CW—MFC系统性能以及影响因素

除去已知影响CW的要素，例如：温度、植物、湿地基质等。影响CW—MFC系统运行的因素，还有如下几个方面：微生物、电极选材，是否有分隔材料以及进水有机物浓度、氧化还原电位、水力停留时间等。同时也都是CW—MFC系统的组成和运行要素。

2.1CW—MFC组成因素

2.1.1植物

植物对CW—MFC系统的影响很大。植物的根系还可以富集大量微生物，提高了阴极区微生物种类与数量，有利于降低系统内阻；同时，植物的存在还可利用水中的氮、磷等营养物生长，吸附和去除水中的有毒有害污染物。

2.1.2电极选材和基质的选择

电极和湿地基质是影响耦合系统的重要因素。良好的阴极电极材料需要同时满足具有较大的比表面积以供微生物附着生长，以及高效迅速收集电子的性能。活性炭颗粒虽然没有金属材料导电性强，但是其具有很高的比较面积和孔隙率，十分适合微生物附着生长，产电性和COD去除率相对较高。

CW—MFC的基质主要通过吸附过滤作用去除水中的有机物和无机物，通常可选择的有土壤、砂石、砾石等，近几年又增加了包括沸石、石灰石、页岩、陶瓷碎片等材料。其中陶瓷和砾石对BOD有较好的去除能力，并且有利于装置产电；而沸石则对TN和氨氮的去除效果较为明显；活性炭颗粒作为填料有利于电子的传递和水中污染物质的吸附。

2.1.3CW—MFC分隔材料

分隔材料的有无是近几年的讨论热点，常用的分隔材料有质子膜、碳布等。有膜存在时可以防止阴极的氧气扩散到阳极影响阳极产电菌生长，也可以防止阳极的微生物在阴极生长，影响阴极的溶解氧含量，而且也防止两极底物互相扩散；但是有膜时又会降低质子的扩散速度，并且造成PH梯度，影响产电功率，并且会提高装置成本。

2.2CW—MFC的产电性能

2.2.1进水碳源

根据CW—MFC原理可知，产电菌分布在阳极，并且利用进水碳源进行生长繁殖进而产生电子、质子和代谢产物等。所以进水有机物浓度和类型对于系统的运行十分重要。进水有机物浓度需满足阳极氧化反应需求，但是也不宜过高，过高会导致阴极有机物浓度升高，导致微生物大量繁殖，过度消耗溶解氧，降低氧化还原电位差。

2.2.2水力停留时间

在CW—MFC系统中，水力停留时间是最重要的参数之一。适当延长水力停留时间（HRT）可以提高系统的处理效率以及输出电压，李雪[27]等人的的实验结果说明了:当水力停留时间在1-2小时，CW—MFC的产电功率随时间增大而增大；当水力停留时间为3-4小时，功率随时间增大而减小。分析其原因，当HRT较短时，产电菌接触有机物时间太短，导致细菌不能稳定生长，从而导致系统产电过低或产电不稳定。

2.2.3氧化还原电位

氧化还原电位是CW—MFC中另一重要参数，影响氧化还原电位的因素有以下几点：植物作用、电极面积以及间距、水力条件等。表面种植有植物的上流式CW—MFC系统具有最大的氧化还原电位，约407.7mV，而未种植植物的上流式系统氧化还原电位为401mV。由此可见植物对氧化还原电位的影响是正面的；CW—MFC系统对偶氮染料的去除研究表明当阴极面积较小时，增大阴极面积，阴极反应速率加快，促进质子向阴极传递，偶氮去除效果明显增加。当阴极面积增加到一定程度后，X-3B去除效果反而下降。

3结论与展望

近几年来，CW—MFC系统作为绿色环保高效的污水处理方法受到越来越多的关注。其不仅能净化水质，去除水体中多种污染物质，还能产生电能，十分符合我国当前提倡的节能环保“以废治废”的发展理念。另外随着研究的深入，很多交叉学科也逐渐应用到了CW—MFC系统中。例如对于生物传感器的研究，其利用活性污泥能大量聚集产电微生物的特性，利用葡萄糖等营养物质，成功检测到了水中BOD的接连变化情况。而系统产生的电流也和污染物浓度有着线性相关，所以将来可以将CW—MFC系统作为CW中微生物量和污染物处理情况的直观指示系统。

参考文献：

[1]YadavAK，DashP，MohantyA，etal．Performanceassessmentofinnovativeconstructedwetland-microbialfuelcellforelectricityproductionanddyeremoval［J］．EcologicalEngineering，2012，47(5):126-131.

[2]LiuST，SongHL，WeiS，etal．Bio-cathodematerialsevaluationandconfigurationoptimizationforpowerout-putofverticalsubsurfaceflowconstructedwetland－mi-croialfuelcellsystems［J］．BioresourTechnol，2014，166:575－583．

[3]SharmaY,LiBK.Optimizingenergyharvestinwastewatertreatmentbycombininganaerobichydrogenproducingbiofermentor(HPB)andmicrobialfuelcell(MFC)[J].Int.J.HydrogenEnergy,2010,35(8):3789-3797.

[4]李林锋，年跃刚，蒋高明．人工湿地植物研究进展［J］．环境污染与防治，2006，28(8):616-620.

[5]俞汉青，盛国平，王允坤．一种生物电化学膜反应器装置:中国，102381753A［P］.2012.

[6]VymazalJ．Constructedwetlandsfortreatmentofindus-trialwastewaters:Areview［J］．EcolEng，2014，73:656－659.