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'第41卷第1期水处理技术Vol.41No.12015年1月TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTJan.,20155微生物燃料电池与污水处理工艺结合应用进展谢晴，周芸（四川省水利科学研究院，四川成都610072）摘要：针对目前MFC在污水处理工艺中的应用，分析了MFC技术与污水生物处理工艺结合的工作原理，重点介绍了MFC技术与几种不同水处理工艺的结合应用，并指出影响此类结合工艺性能的主要因素有水处理模式、产电稳定性（包括电极生物膜、污水性质）等，认为目前将2种工艺结合仍然面临MFC发展系统输出电压和产电功率仍较低的技术瓶颈，但技术的成熟和成本的降低，将在废物重复利用和能源再生方面发挥越来越重要的作用。关键词：微生物燃料电池；水处理工艺；结合工艺中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-3770(2015)01-0005-004近10年来，国内外学者围绕如何提高微生物燃件下，通过厌氧或兼氧微生物作用，将污水中的复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程[8]。料电池（MFC）的产电性能开展了多方面的基础性研究，如关于电极材料的种类及性质、膜构件特性、所不同的是MFC应用于厌氧生物处理中，对产电菌底物能量转化、反应运行条件、微生物种类及代谢途以及其他多种功能菌的协同作用要求更高，同时对径等，并取得了一些重要成果和技术突破[1-4]。但目前各种细菌的生态位分配也是该系统是否能正常运行MFC技术发展的瓶颈仍是其产电能力较低，其中最的重要前提。主要的障碍是分离转化电子的速度太慢而不能供应因此，MFC可有效去除污水中的含碳有机物，实际需要的电流量[5]。因此，相对于产电能力，利用其相比于传统厌氧消化工艺的优势在于：1）有机物其能降解有机物的特性而在污水处理方面的应用则除了供微生物厌氧呼吸外，还多了转化成电能的部更易实现，也是最有可能被大规模应用的领域。分，从而提高了降解效率；2）可导电的阳极（各种碳目前有一些关于MFC与污水处理工艺结合的素材料）促进了溶液中电子的定向传递，从而加快了报道，对于较低产电水平下污染物的去除是它们研系统反应，缩短了有机物降解的时间。究的重点[6]。理论上，这类结合工艺是可以通过各类1.2好氧生物处理与MFC技术微生物作用实现有机物去除以及生物脱氮的，因此从MFC的结构上分析，无论是单室还是双室，越来越多的研究者正试图探索新的工艺，旨在保证其阴极区都是耗氧的，氧气是整个体系的最终电子受体，只不过氧没有直接用于微生物的呼吸[1]。这为电能输出的同时，又加强污水处理效果。该技术应用于好氧生物处理提供了思路。从理论上1水处理工艺与MFC结合的原理讲，只要阴极区能充分供氧，使好氧微生物得以大量1.1厌氧生物处理与MFC技术繁殖，并利用它们的呼吸将污水中的有机物氧化为原理上，MFC的阳极是在厌氧条件下，微生物二氧化碳、水以及硝酸盐、碳酸盐、磷酸盐等物质，同代谢产生的电子受体由一般可溶性受体，如硫酸盐、样可以使水体得到净化[9]。硝酸盐等转变为电极材料石墨或碳载铂等不溶性受综合整个电池反应来看，MFC的阳极和阴极分体，从而形成了MFC特殊的电子传递途径，即有机别是在厌氧条件下发生的氧化反应和好氧条件下发物在厌氧条件下被降解的同时产生了电流[7]。这个生的还原反应。因此，这种复合体系为MFC技术引入过程与单纯的厌氧消化不同，厌氧消化是在无氧条到污水厌（缺）氧/好氧生物处理工艺中提供了可能。收稿日期：2014-05-21基金项目：2013年四川省财政项目作者简介：谢晴（1983－），女，博士，工程师，研究方向为水处理技术；联系电话：13980607233；电子邮件：271666070@qq.com 6水处理技术第41卷第1期2MFC在水处理工艺中的应用2.2厌氧流化床与MFC结合目前，厌氧流化床（AFB）与MFC结合是研究2.1升流式厌氧污泥床与MFC结合较多的一种工艺，也是最有希望开发和创新的技术，王万成等构建了一种基于升流式厌氧污泥床虽然当前的研究基本上还处于实验室阶段，但其势（UASB）的微生物燃料电池，其在双室MFC的基础必将为MFC在污水处理资源化领域中开辟一条新上将阳极区改造成UASB，阳极室在进液口上面安的途径。置1个布水器使进液分布均匀，同时阳极室上部装孔维芳等提出了采用液固流态化技术耦合MFC有1个气液分离器，而阴极室为无盖设计，使其暴露进行污水处理的观点，并与赵书菊等构建了AFB空于空气中（如图1所示）[10]。气碳纸膜阴极微生物燃料电池（如图2所示）[12-13]。他们以改造MFC阳极室为前提，系统有效体积1L，污水作为液相，椰壳活性炭作为固相。阳极采用碳棒（长35cm、直径0.7cm），阴极采用碳布（面积约12.56cm2），无质子交换膜，以中性红为电子介体，采用间歇运行方式获得的最大输出电压为0.65V，最大输出功率密度330mW/m2，COD去除率达到91%。图1UASB-MFC装置Fig.1SchematicdiagramoftheUASB-MFC该UASB-MFC系统污水处理量为1L（阳极室体积），以高纯石墨板作电极，质子交换膜面积约为31.3cm2，在确保污泥充分颗粒化，HRT为6h的条件下，系统采取连续进样方式，稳定运行了3个月，放电功率保持在145mW/m2，开路电压0.78V，放电图2AFB-MFC装置电流最高达321mA/m2，且COD的去除率达到90%。Fig.2SchematicdiagramoftheAFB-MFC该系统中COD的去除必须以保证阳极产甲烷该AFB-MFC系统的有机物去除率较高，但产电菌良好的生长条件（温度30℃，pH=7.0，以及营养对有机物去除的贡献仍然较低，研究人员用库仑效率条件等）为前提，而产电能力（以库伦效率计）虽占对产电的贡献加以表征，发现其库仑效率低于2.0%。系统比重不大（这与系统的设计规模、HRT、电极材原因可能是：1）系统无质子交换膜，使氧气透过率料、进液方式等多方面因素有关），但这无疑是种大较高，破坏了阳极厌氧环境；2）AFB流速和系统内阻胆的尝试。之间存在一定关系，当流速过大时，生物颗粒容易被值得注意的是，HRT和进样模式是决定本系统冲散，同时使阳极生物膜生长和脱落处于不平衡状运行效果的一个重要因素，系统在连续进液模式下态，从而导致内阻增大，最终影响系统的电能输出。能够产生稳定的能量输出。这种进样方式突破了目因此，该装置在结构和运行模式上仍需进一步改进。前大多数MFC采取的序批式进样模式，序批式进样除此之外，黄健盛和王建军等还分别研究了影响AFB-MFC系统脱氮及产电性能的因素[14-15]。他们虽然能使间歇放电方式释放的总电能比连续放电释放的总电能高，但连续进样方式却克服了间歇放电分别对进水的基质、硝态氮、亚硝态氮、氨氮含量以无法保持电压稳定的问题[11]。及碳氮负荷（C/N）和去除率进行了考察。结果发现，该系统适用于生活污水以及有机物含量较高的AFB-MFC能实现畜禽废水的脱氮，但条件要求比较工业废水，不适用于含重金属、酚类、氰化物、硝酸盐苛刻，不是任何有机物废水都适用，因为基质含量、等性质的废水。C/N以及电子供体的存在与含量是影响系统脱氮和产电的重要因素。 谢晴等，微生物燃料电池与污水处理工艺结合应用进展72.3氧化沟与MFC结合氧阶段（曝气阶段）系统的最大输出功率密度为89氧化沟是一种由连续环式反应池构成的简易废3.1mW/m2，最大输出电压为570.4mV，HRT在8h水处理设施，是活性污泥法生化池的一种变型。其特内产电量为13.6C；阴极区COD、氨氮、TP去除率点是废水在沟内不断地循环流动，在沟内不同阶段分别为90.5%、99%、96.2%，阴阳两极室累积有机物形成厌氧、缺氧和好氧段。因此氧化沟能够同时提供去除容积负荷比传统双室MFC的COD去除率提微生物燃料电池所需要的好氧和厌氧环境[16]。高了近80%。但由于阴极区采取的是序批式运行模由于氧化沟占地较其他一般的水处理工艺大，式，因此要提供持续稳定的电流尚需在外界供能（如因此鲜有研究者将该工艺与MFC技术联系起来。稳压器）的条件下实现[19]。孙永军等首次构建了双沟环一体化氧化沟-微生物燃料电池，其结构示意见图3[17]。氧化沟的总有效体积为240L，其中外沟为好氧区，体积约140L，内沟为厌氧区，体积约100L，同时在内外沟隔板上固定一块面积为175cm2的质子交换膜，膜两侧分别固定阴、阳电极，两电极间距约3cm。沟内的水流分别靠设置在内沟的搅拌器和外沟的转刷推动。图4MSBR-MFC装置Fig.4SchematicdiagramoftheMSBR-MFC值得注意的是，该系统就水处理方面考虑，在阴极投加铁氰化钾作电子受体保证电能输出，并不是合适的方式，出水中的铁（亚铁）氰化物必须加以去除，显得多此一举。因此需要进一步探索对环境无害A区：沉淀区；B区：好氧区；C区：厌氧区且又利于电子接收的介体。图3氧化沟MFC装置Fig.3Schematicdiagramoftheoxidationditch-MFC3影响结合工艺性能的主要因素其对比研究了该结合工艺与传统氧化沟工艺的3.1水处理模式污水处理效果及产电能力，结果显示，结合工艺的TN处理系统多为开放式，一定程度上会影响电极去除率和COD去除率与传统氧化沟接近，但其除了上膜微生物的生长，从而导致生物膜生长、富集较慢；能输出电能外（平均输出电压约0.29V，产电功率均且水体动力变化可能会扰乱电子流方向，影响电极值0.08mW），最大的特点是其内外沟中污泥增加量间的物质传递，最终影响电能输出。比传统氧化沟减少了近15%[17]。因此该工艺与传统此外，每种水处理工艺本身都不是绝对完美的。氧化沟相比，在污泥减量化方面具备明显的优势。以AFB为例[20]：1）要维持良好的流化态和生物膜颗2.4膜序批式生物反应器与MFC结合粒的均匀性难度较大；2）在流化状态下，MFC阳膜序批式生物反应器（MSBR），是将序批式活极难以保持稳定的电子流和膜的稳定；3）三相分离性污泥法与MBR结合起来的一种水处理工艺，它是中固液分离较为困难，难以达到较高的运行水平。以在连续流MBR中进行序批式操作，从而实现反应器升流式厌氧污泥床（UASB）为例[21]：1）进水中悬浮中的厌好、好氧交替，以促进水体脱氮除磷的过程。物含量不能过高，一般要求质量浓度低于100mg/L；根据MSBR的特点，笔者构建了MSBR-MFC系[18]2）床内一旦出现短流现象，会影响系统处理能力；统。方法是保持MFC阳极结构不变，而将阴极室3）系统对水质和负荷变化敏感，抗冲击能力稍差等。改造成MSBR，碳毡作生物阴极，采取“厌氧、好氧”交替运行方式处理生活污水，考察MSBR-MFC的产因此，要将水处理工艺与MFC结合，装置的特电能力及污染物去除效果。研究结果表明，系统在阴性必须是2种反应器的某些特性的综合，这使得在该极厌氧阶段需投加铁氰化钾以保证电能输出，在好类反应器的结构设计上就有某些特殊要求。结合工 8水处理技术第41卷第1期艺的基本构型通常由MFC反应器的构型来决定，若cellsconvertcarbohydratestoelectricity[J].WaterScience&MFC是单室结构（只有阳极室，而阴极为直接空气Technology,2005,52:515-523.[2]RosenbaumM,ZhaoF,QuaasM,etal.Evaluationofcatalyticproperties阴极），则水处理工艺通常只能是厌氧模式，若MFCoftungstencarbidefortheanodeofmicrobialfuelcells[J].Applied是双室结构（阳极室，阴极室均有），则可考虑进行CatalysisB:Environmental,2007,74(3):261-269.厌、好氧水处理模式。[3]LovleyDR.Microbialfuelcell:novelmicrobialphysiologiesand3.2产电稳定性engineeringapproaches[J].CurrentOpinioninBiotechnology,2006,3.2.1电极生物膜17(3):327-332.[4]李登兰.以ShewanelladecolorationisS12构建的单室微生物燃料电极生物膜在水处理器中是否适应，以及水处电池产电特性研究[D].广州:广东工业大学,2008.理器中涉及到除产电微生物以外的多种功能菌生长，[5]ServiceRF.Microbessweetonmakingpower[J].Science-Elect从而导致膜上菌种生态位的竞争和更替等，是影响rochemistry,2003,301(5639):1453.系统产电稳定性的重要因素。[6]李毅.微生物燃料电池在废水处理中的应用研究[D].北京:北京化研究表明，MFC达到稳定电流平台的时间是微工大学,2008.生物吸附在电极上逐渐形成成熟生物膜所需的时间，[7]LanthierM,GregoryKB,LovleyDR.Growthwithhighplanktonic[18]biomassinShewanellaoneidensisfuelcells[J].FEMSMicrobiology电流的大小受生物膜的影响。因此，如何缩短产电Letters,2008,278:29-35.微生物的驯化时间、以及增加膜量，是结合工艺实用[8]陈威,朱雷,梁华杰,等.废水厌氧生物处理的研究与进展[J].国外建化过程中必须解决的问题。材科技,2006,27(1):51-53.3.2.2污水性质[9]赵亚乾.污水好氧与厌氧生物处理的对立统一关系[J].科学技术污水性质是影响电能产生的重要生物因素之一，与辩证法,1990,1:14-18.当污水成分复杂时，就不能保证电极作为唯一的电[10]王万成,陶冠红.基于升流式厌氧污泥床反应器的微生物燃料电池的研究[J].江苏环境科技,2008,21(1):1-3.子供体，溶液中可能还会出现如NO--N、NO--N等其32[11]IeropoulosI,GreenmanJ,MelhuishC,eta1.Energyaccumulation他电子供体，从而影响整个电池的电能输出[22]。此andimprovedperformanceinmicrobialfuelcells[J].JPowerSources,外，不同底物降解途中的副产物也会对其产电稳定2005,145(2):253-526.性和持续时间造成一定影响[23]。因此，污水的性质和[12]孔维芳,郭庆杰,王许云.不同介体厌氧流化床微生物燃料电池产特点，是考虑在结合工艺中引入哪种水处理工艺的电特性研究[J].高校化学工程学报,2011,25(5):858-863.[13]赵书菊,郭庆杰,王许云,等.厌氧流化床微生物燃料电池处理废水重要参考。的产电特性[J].环境科学学报,2010,30(3):513-518.4结语与展望[14]黄健盛,杨平,杨长军,等.厌氧流化床微生物燃料电池同步除碳脱氮产电性能影响因素[J].环境污染与防治,2012,34(5):28-34.目前，将2种工艺结合仍然面临MFC发展本身[15]王建军,刘杨,杨长军,等.厌氧流化床净化畜禽废水与产电性能[J].的一个技术瓶颈，即系统的输出电压和产电功率仍农业工程学报,2012,28(10):214-218.较低。此外，在不同的系统中，电极材料、有效面积、[16]高守有,彭永臻,胡天红,等.氧化沟工艺及其生物脱氮原理[J].哈极间距以及电子受体等诸多因子，都会导致不同结尔滨商业大学学报:自然科学版,2005,21(4):435-439.[17]孙永军,连静,吕光辉,等.在氧化沟中构建微生物燃料电池[J].化工合工艺转化生物废水的输出功率和处理效果显著不环保,2012,32(2):105-108.同，因此在结果的比较和量化上有一定困难，但这并[18]谢晴,冷庚,王彬,等.以铁氰化钾为电子受体的MSBR-MFC集成不影响其在环保领域发展的巨大潜力。因为这类结系统响应机理研究[J].水处理技术,2011,37(6):120-125.合工艺，是从产能和净化的双重角度来解决日益严[19]王刚,黄丽萍,张翼峰.微生物燃料电池中生物阴极的研究与应用重的水体污染问题：一方面能充分发挥2者的优势，现状[J].环境科学与技术,2008,31(2):101-103.进一步强化系统的污水处理能力；另一方面这无疑[20]杨平,方治华.厌氧流化床废水处理技术研究及应用进展[J].环境科学进展,1994,2(5):35-44.是节能减排技术新的发展方向。[21]任石苟.升流式厌氧污泥床反应器的应用[J].山西食品工业,2005相信随着研究者不断的尝试，技术的成熟和成(1):11-13.本的降低，相关的结合工艺将在废物重复利用和能[22]ParkW,NamYK,LeeMJ,etal.Simultaneousnitrificationand源再生方面发挥越来越重要的作用。denitrificationinaCEM(cationexchangemembrane)-boundedtwochambersystem[J].WaterRes.,2009,43(15):3820-3826.参考文献：[23]黄丽萍,成少安.微生物燃料电池生物质能利用现状与展望[J].生物工程学报,2010,26(7):942-949.[1]RabaeyK,OssieurW,VerhaegeM,etal.Continuousmicrobialfule（下转第14页） 14水处理技术第41卷第1期cteriumulceransbyacidifiednitrite[J].AntimicrobialAgentsandradicalproductionbyperoxynitrite:implicationsforendothelialChemotherapy,2004,48(8):3130-3132.injuryfromnitricoxideandsuperoxide[J].Proceedingsofthe[45]FangFC.Perspectivesseries:host/pathogeninteractions.Mechan-NationalAcademyofSciences,1990,87(4):1620-1624.ismsofnitricoxide-relatedantimicrobialactivity[J].Journalof[48]HuangY,ChenH.Effectoforganicacids,hydrogenperoxideandClinicalInvestigation,1997,99(12):2818.mildheatoninactivationofEscherichiacoliO157:H7onbaby[46]HeaselgraveW,AndrewPW,KilvingtonS.Acidifiednitritespinach[J].FoodControl,2011,22(8):1178-1183.enhanceshydrogenperoxidedisinfectionofAcanthamoeba,[49]SteinbergD,HelingI,DanielI,etal.Antibacterialsynergisticeffectbacteriaandfungi[J].ournalofAntimicrobialChemotherapy,2010,ofchlorhexidineandhydrogenperoxideagainstStreptococcus65(6):1207-1214.sobrinus,StreptococcusfaecalisandStaphylococcusaureus[J].Jou[47]BeckmanJS,BeckmanTW,ChenJ,etal.ApparenthydroxylrnalofOralRehabilitation,1999,26(2):151-156.PROSPECTSOFDISINFECTIONOFHYDROGENPEROXIDEBYCATALYTICOXIDATIONLiJiayi,SuiMinghao,ShengLi,YangJianrui,XuMengmeng（StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,TongjiUniversity,Shanghai200092,China）Abstract:Becauseofstrongoxidizingproperty,hydrogenperoxidehasenormouspotentialindegradatingorganicmattersandinactivatingharmfulmicroorganismsinthefieldofwatertreatment.Associatedwithothermaterials,theutilizationrateofhydrogenperoxidecouldbeimproved.Atthesametime,thedisinfectionperformancewasimprovedbecauseofcatalyticoxidationbyhydrogenperoxide.Themixedusewithothermaterialscouldachievethepromotionofeachmaterial.Keywords：hydrogenperoxide;catalyticoxidation;antibacterial;disinfection!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第8页）COMBINEDAPPLICATIONOFMICROBIALFUELCELLSANDWASTEWATERTREATMENTTECHNIQUESXieQing,ZhouYun(SichuanWaterResourcesScientificResearchInstitute,Chengdu610072,China)Abstract:Microbialfuelcell(MFC),asanewsewagetreatmentandbio-electricitytechnology,wasdevelopedrapidlyinrecentyears.TheworkingprinciplesofthecombinationofMFCsandwastewaterbiologicaltreatmentprocesseswereanalyzed,andthecombinedapplicationsofMFCsinseveralwastewatertreatmentprocesseswereintroduced.Furthermore,mainfactorsthataffectedtheefficiencyofthiscombinedprocesseswerepointedout,suchasthemodeofwatertreatment,thestabilityofelectrogenesis(includingelectrode-biomembraneandthenatureofthesewage).Technicalbottleneckstillexistedincombiningthesetwoprocessesrecently,suchaslowoutputvoltageandlowelectrogenesispowerintheMFCdevelopingsystem.Thiscombinedprocesswouldplayamoreandmoreimportantroleinthewasterecoveryandenergyregenerationwiththematurityoftechniquesandthedeclineofcost.Keywords:microbialfuelcell(MFC);watertreatment;combinedprocess!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!简讯中环膜TIPS法超滤膜入选2014年度国家重点新产品立项计划近日，科技部正式下达2014年度国家重点新产品计划。由北京中环膜材料科技有限公司所承担的“一种抗污染热致相外压中空纤维超滤膜组件”项目获批立项（项目编号：2014GRA00023）。国家重点新产品计划是一项激励企业自主开发新产品，推动科技成果转化及产业化的政策引导类计划，是国家科技计划体系中政策引导类计划的重要组成部分。中环膜推出的TIPS（热致相分离）法外压超滤膜，由于其结晶度高及膜主体结构为均匀海绵状结构，在提升膜通量、耐化学性能、耐温和强度方面有很大的优势。同时，公司采用专有永久亲水性改性技术，增加了超滤膜抗污染特性，大大拓展了其使用范围。近年来，中环膜实施了多个TIPS法外压超滤膜整体解决方案：北京市政领域40000m3/d再生水项目、国家冬运会供水项目、中石化油田废水回用项目、兖矿集团煤化工废水回用项目、内蒙古工业园区废水回用项目等，受到业界人士及众多客户的广泛好评。“一种抗污染热致相外压中空纤维超滤膜组件”项目的成功入选，进一步彰显了中环膜研发创新的实力。在国家政策的大力支持下，中环膜将继续致力致力于向广大用户提供创新分离膜产品、膜集成装备及高端膜应用系统解决方案，开发出满足国家、社会需要的科技创新产品，为经济、社会的发展保驾护航。（屈雅）'