杨舒畅 吴双荣 高磊 王昊
华北理工大学 河北 唐山 063000
摘要：MFC 与 CW 均是以处理有机化合物为目的的生物系统，将两者耦合(CW-MFC)可以在获得高效污染物处理的同时提高产电效率。作为一种新型污水处理工艺，国内外对此的研究稳步进行，已形成基本雏形。综述总结了现有的发展研究进展，污水处理效果，产电性能影响因素，存在的主要问题以及未来的研究方向。
关键词：人工湿地、微生物燃料电池、耦合系统、污水处理、产电性能
1引言
随着城市化进程的脚步不断加快，工农业快速发展，水资源污染问题越来越严重，水环境的恶化加剧，严重影响我国经济社会的发展。人工湿地是利用土壤、人工介质、植物以及微生物的多重协同作用对污水、污泥进行处理的一项技术，具有缓冲容量大、处理效果好、工艺简单、运行费用低等特点。微生物燃料电池是一种将污水中的化学能转化为电能的新兴技术，二者的耦合在污水处理的同时可以实现电能的回收，正受到越来越多的关注。
2 CW－MFC 应用现状
2.1 CW 的研究与应用现状
人工湿地污水处理系统是一种新型的污水处理工艺。通过利用湿地中填料、水生植物和微生物之间的相互作用，利用基质―微生物―植物这种复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用,实现对废水的高效净化。废水中的不溶性有机物经过湿地的沉淀、过滤，可以很快被截留下来并被微生物利用；可溶性有机物则可以通过植物根系及填料表面生化的生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。与传统工艺相比具有成本低、易维护、操作简单等优点，已广泛用于处理生活污水、工业废水、农业废水、雨水径流、垃圾渗滤液、矿井废水和污水厂污泥脱水液等方面。
2.2 MFC 的研究与应用现状
微生物燃料电池是一种以微生物为催化剂，将生物质中蕴含的化学能转化为电能的系统。最早发现于上个世纪初，英国的植物学家Potter 在进行厌氧培养时发现可以产生开路电压和电流，提出了微生物燃料电池的概念，MFC 的研究由此开始。此后在科学研究中，研究者们就电池结构、电极材料、基质、水力条件等多方面进行了大量的研究。微生物燃料电池具有无污染、燃料来源广泛、操作条件温和等优点，但同时其功率密度低、材料造价昂贵以及 MFC 结构型式的不确定还有待解决。
2.3 CW－MFC 耦合系统的研究现状
微生物燃料电池—人工湿地系统在处理污水的同时能回收电能，并且可加速污水中有机物的厌氧降解过程。国内李先宁等人研究了 HRT为 2d 时以葡萄糖为底物采用连续流进水的 CW-MFC 系统处理污水及产电性能，发现系统对COD的去除率大于90%，获得电流密度为2A/m3。Asheesh 等人研究了CW-MFC 系统对染料废水中 COD 及燃料的降解情况，取得良好处理效果。可以看出，CW-MFC 耦合系统在处理污水方面具有一定优势，处理效果普遍高于常规 CW系统。但输出功率还较低，有待进一步优化。
3 CW－MFC 污水处理效果及产电性能
3.1 污水处理效果
CW 具有很好的污水处理能力 ，因此，CW-MFC 不能为了提高产电性能而降低去除水中污染物的能力。最新研究表明，CW-MFC 污(废)水处理效果可能更好。夏世斌等发现CW－MFC 和 CW 对 COD 的去除率分别是 60%、51. 6%，对 TN 的去除率分别是 70%、42%。此外，Zhao 等发现不曝气阴极，初始 COD 浓度3 190～7 080 mg/L，平均去除率为 71. 5%，产生的最大功率密度为 12. 83 μW/m 2 ，曝气阴极 CW－MFC性能 显 著 提 高，出 水 COD 浓 度 为 ( 1 058. 45 ±420. 89) mg/L，COD 的平均去除率为 76. 5%，最大功率密度为 9. 4 mW/m 2 。综上所述，CW－MFC 耦合系统并没有以降低传统的 CW 去除污染物的能力来达到产电的目的，相反，已有研究发现其去污能力优于 CW 和 MFC 独立系统。另外，对 CW－MFC 的阴极进行曝气，有利于提高污染物的去除效果和产电性能。
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3.2 产电性能
3.2.1 有机负荷对产电性能的影响
进水需保证能为阳极的氧化反应提供足够的有机物，但到达阴极的污水有机物含量也不宜过高。由此可见，进水 COD 负荷直接影响 CW-MFC的产电性能，进水有机负荷在很大程度上影响 CW-MFC 系统的产电性能。Liu 等人研究发现在 CW-MFC 系统中，当进水COD为 50 ～250 mg/L 时，功率密度呈上升趋势，但当COD在250 ～1 000 mg/L 时，功率密度却呈下降趋势。COD为250 mg/L 时，系统功率密度为44. 63 mW/m 2，而COD为1000 mg/L时，功率密度仅为21. 33 mW/m 2。Villasenor 等人的实验也有相似结论，当COD由560 mg/L 增大到1100 mg/L时，电压由700 mV 降至200 mV，库伦效率由 0. 27% 降低至 0. 045%。进水 COD 增大时，进入阴极的有机化合物相应增多，有机物在阴极降解的过程中消耗氧气，与质子发生反应的氧气量减少，功率密度降低。
3.2.2 氧化还原环境对产电性能的影响
优化阴、阳极之间的氧化还原电位梯度对于改善 CW-MFC产电效果至关重要。Corbella等人曾报道过最大的氧化还原电位梯度存在于CW的表面和底部之间。种有湿地植物的连续流CW在表面与底部之间具有最大的平均氧化还原电位，约为407．7 mV，而对于未种植植物的连续流CW和未种植植物的非连续流CW，氧化还原电位分别为 401和326． 2 mV，由此可见，湿地植物对于氧化还原条件的改善有积极影响。
3.2.3湿地植物对产电性能的影响
利用在光合作用过程中植物根系会释放氧气的特点，将阴极放置在植物根系附近，这促进了生物阴极的发展。尽管植物根系在释放氧气的同时，会释放一部分有机物消耗用于还原反应的溶解氧，但阴极室中植物的种植仍然提高了 CW-MFC的性能。Fang 等人研究发现，对于植物型 CW-MFC，内电阻为217．7 Ω、电压为603～618mV，非植物型CW-MFC 的内电阻约为272．9Ω、电压降低为522～536 mV。所以，种植植物可以降低CW/MFC的内电阻，进而提高系统的电压。
4 存在问题
CW 与 MFC 的耦合，在增强了污染物去除效果的同时还提高了系统的产电效率。受到了越来越多的关注。但同时还存在以下问题需要进一步研究与实验。
1）如何在保证氧化还原电位梯度的条件下降低系统内部阻抗。
2）流场形态对 CW-MFC 系统运行性能的影响。
3）反应器体积增加会降低系统功率密度，减小电极间距提高电极面积比例是提高功率密度的有效途径，需要寻找方法在减小电极间距的同时使阳极环境适宜产电菌的生长。
4）寻找抑制产甲烷菌的同时不影响系统产电性能的方法。
5）需要寻找更廉价的电极及基质材料。
6）研究植物根系对系统产电性能的影响。
7）系统有膜还是无膜，或者寻找其他廉价高效多孔隔膜材料。
5 结语
随着研究的不断深入，CW-MFC系统的更多功能将会进一步得到发展。包括以下几个方面：①用于更多的传统人工湿地难降解或新型污染物、废弃物的处理；②用于减少人工湿地甲烷等温室气体排放的研究；③作为人工湿地系统的 BOD或生物毒性传感器；④作为一种修复并资源回收技术得到应用。
参考文献
[1]Logan B E．Microbial Fuel Cells[M].New York:John Wiley ＆ Sons，2008．
[2]夏世斌，潘蓉，张宁，等.直接产电型垂直流人工湿地微污染水源水处理试验研究[J].武汉理工大学学报，2012，34(2):105－109．
论文作者:杨舒畅,吴双荣,高磊,王昊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/5
标签：系统论文; 湿地论文; 性能论文; 植物论文; 阴极论文; 微生物论文; 密度论文; 《防护工程》2018年第25期论文;