黄国正，郝小旋，张 姣，张志强*，夏四清（.同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化国家重点实验室，上海 0009；.上海城市管理职业技术学院，土木工程与交通学院，上海 0043）

污泥厌氧发酵液燃料电池的性能及电子供体分析

黄国正1，郝小旋1，张 姣2，张志强1*，夏四清1（1.同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化国家重点实验室，上海 200092；2.上海城市管理职业技术学院，土木工程与交通学院，上海 200432）

采用剩余污泥厌氧发酵液为阳极燃料、铁氰化钾溶液为阴极电子受体，成功启动了双室微生物燃料电池（MFC）.考察了厌氧发酵过程中剩余污泥上清液中各种挥发性脂肪酸（VFAs）含量的变化，研究分析了污泥厌氧发酵液燃料电池的产电过程、燃料消耗及电子供体. 结果表明，污泥厌氧发酵液中乙酸含量最高（约占总VFAs的50%），异戊酸和丙酸含量次之（分别约占总VFAs的18%及15%），正丁酸和异丁酸含量较少（均低于总VFAs的10%），正戊酸含量最低（低于总VFAs的1%）；MFC实现了250h稳定电压输出（0.65±0.05V），库伦效率为9.09%；阳极总化学需氧量（TCOD）、溶解性化学需氧量（SCOD）、VFAs均呈现整体下降趋势， TCOD和SCOD的去除率分别为74.9%和86.4%； VFAs的完全消耗伴随着反应器产电性能迅速变差，表明VFAs是主要电子供体；在MFC产电过程中， VFAs的消耗与产生同时存在，消耗总体快于产生；各种VFAs消耗快慢依次为:乙酸＞正丁酸＞丙酸＞正戊酸＞异戊酸＞异丁酸.

微生物燃料电池；剩余污泥；厌氧发酵；挥发性脂肪酸；电子供体

微生物燃料电池（MFC）是一种通过微生物的代谢活动将复杂生物质中蕴含的化学能直接转化为电能的装置［1-2］.作为一种产生电能的新方法，微生物燃料电池不仅可以利用葡萄糖［3］、醋酸钠［4］等纯有机物作燃料，还可以利用有机废水、剩余污泥等作燃料［5-6］.

剩余污泥通常含有易腐化有机物、重金属离子及致病微生物等有害物质，会对环境、动植物及人类健康造成极大危害［7-9］.与此同时，剩余污泥中含有大量的有机物，可以对该部分物质加以利用实现污泥的资源化［10］.大量研究表明直接利用剩余污泥为燃料的MFC技术是可行的，在发电的同时有效去除污泥中的总化学需氧量，降低污泥中的总悬浮物和挥发性有机物［11-14］，但反应器输出电压及功率密度较低.为改善污泥MFC的产电性能，许多研究者将研究重点放在了污泥预处理上.通过对污泥进行超声波预处理［15］、厌氧发酵预处理［16］、微波预处理［17-18］、热处理及碱处理［19］、外加酶强化预处理［20-21］等，间接利用剩余污泥为MFC燃料，改善MFC产电性能.有研究表明，将剩余污泥、初沉污泥或二者的混合物在碱性条件下厌氧发酵，以发酵上清液为燃料MFC比直接以剩余污泥为燃料MFC产电性能有大幅提高［22］.

剩余污泥经过碱性厌氧发酵可以实现有机物由大分子向小分子、颗粒态向溶解态的转变，完全酸化的产物主要为挥发性脂肪酸（VFAs）［23］，除此之外还含有其他的碳水化合物及溶解性蛋白质.与大分子有机物相比，VFAs更易于被MFC中产电菌摄取用于产电过程；且使用富含VFAs的发酵液作为MFC燃料时发酵液粘性较低，这有利于有机物及离子的扩散，使得MFC内阻较低，对产电过程有利［24］.然而，污泥厌氧发酵液中存在多种VFAs，浓度也有差异，不同VFAs作为电子供体在MFC产电过程中的贡献有待明确.

因此，本研究选用碱性厌氧发酵作为剩余污泥预处理方法，考察厌氧发酵过程中污泥发酵液SCOD、VFAs含量变化；以污泥厌氧发酵液为阳极底物，铁氰化钾溶液为阴极电子受体，对污泥厌氧发酵液燃料MFC的产电过程、燃料消耗及主要电子供体进行分析，为实现剩余污泥资源化利用及优化主要电子供体组成提供依据.

1 材料与方法

1.1 实验用泥及其预处理

反应器接种使用上海市虹口区某污水处理厂二沉池的剩余污泥，室温下沉降数小时后去除上清液，保证污泥浓度为8g/L左右，使用前用氮气曝气约10min以吹脱其中的溶解氧.沉降后污泥pH值为6.9～7.1，TCOD为8200～9300mg/L，电导率为0.73～0.99mS/cm.采用厌氧发酵对该污泥进行预处理，发酵条件参考之前相关研究［25］.剩余污泥在pH值恒定为10，温度控制在25℃，采用机械搅拌方式，转速维持在60～80r/min的条件下发酵，发酵至第10d取发酵液作为MFC 阳极燃料，发酵污泥pH值为9.6～10，TCOD为8500～9000mg/L，电导率为3.31～3.50mS/cm.

1.2 实验装置

1.2.1 电池构型 采用双室半圆筒状MFC反应器，由质子交换膜（Nafion 117，Dupont公司）分隔为阴极室和阳极室两部分.阴、阳极室由有机玻璃制成，有效容积均为380mL.电极材料为碳毡（北京吉兴盛安工贸有限公司），通过碳棒（上海摩扬电碳有限公司）实现电极与外电路的连接.MFC反应器阳极室内插入甘汞电极（上海雷磁）作为参比电极（+0.241V vs.标准氢电极，SHE）以监测阳极电位.为实现阳极室内底物的均匀分布及传质均匀，将整个反应器置于磁力搅拌装置（上海国华）上.实验中使用KEITHLEY 2700数据采集器记录MFC输出电压及阳极电位，使用直流电阻箱（上海双特，ZX21）实现外电路负载，无特殊情况调节外电阻为1000Ω.

1.2.2 电极材料及膜的预处理 在先前研究［26］的基础上，选取产电性能较好的碳毡作电极材料，购于北京吉兴盛安工贸有限公司.相关研究表明碳毡在加工过程中容易残留As、Cr、Fe、Mo、Pb等金属元素［27］，这些微量的金属元素在MFC运行过程中可能会充当催化剂，对实验过程的研究造成干扰.因此在实验前对碳毡材料进行以下预处理:（1）使用蒸馏水冲洗去除表面杂质；（2）使用1mol/L HCl浸泡3次，每次12h；（3）使用蒸馏水进行冲洗至中性；（4）在105℃下烘干后备用.

质子交换膜（Nafion 117）购于美国杜邦公司，参照使用说明书进行以下预处理:（1）在30%的双氧水中煮沸1h；（2）在去离子水中煮沸1h；（3）在0.5mol/L H2SO4溶液中煮沸1h；（4）在去离子水中煮沸1h后备用.

1.3 MFC启动与运行

MFC启动过程中，使用含有50mmol/L 磷酸盐缓冲液的厌氧污泥作为阳极接种污泥，阴极电解液为含有磷酸盐缓冲液（pH值为7.0）的50mmol/L K3Fe（CN）6，外电阻保持为1000Ω.MFC系统采用间歇流运行，启动阶段当反应器实现稳定电压输出并开始呈现下降趋势时更换阴阳极电解液，当两个连续周期的最大电压值相同时即认为反应器启动成功.启动成功后输出电压稳定在0.69V左右，与Jiang等［28］的相关研究中的稳定输出电压相近.

启动成功后，阳极燃料更换为上述污泥发酵上清液，阴极电解液更换为50mmol/L K3Fe（CN）6溶液，当输出电压低于50mV时更换阴阳极液体，记为一个完整周期.本实验在选取碳毡作电极材料的基础上，考察污泥厌氧发酵上清液作为阳极燃料时微生物燃料电池的产电性能.

1.4 分析方法

本实验所涉及的反应器输出电压图及阳极电位图中的数值均为小时平均值，即为1h内数据采集器记录的60个电压值的平均值.电流（I）可以通过欧姆定律计算获得:

式中:U为外电路电压，V；R为外电阻阻值，恒为1000Ω.

间歇流MFC反应器的阳极库伦效率（CE）可用如下公式计算得到:

式中:I 为时间 t 时流经外电路的电流，A； tb为MFC运行周期，h； Ms为底物的摩尔质量；F 为法拉第常数，96485C/mol； bes为底物被氧化时转移的电子数，mol e-/mol； VAn为阳极室有效体积，0.38L； ΔC 为运行周期内底物浓度变化量，mg/L［29］.

对于复杂底物，用COD来计算底物浓度比较方便，可简化为以下计算公式:

式中:8是TCOD计算时的一个常数；ΔCTCOD为tb时间内TCOD的浓度变化量，mg/L.

反应器运行过程中pH值监测使用HACH便携式pH值水质监测分析仪HQ40d.采用气相色谱法对VFAs进行测定（美国Agilent，6890型），测定前，样品需经0.45μm的滤膜（安谱公司）过滤，向滤液中加入3%的H3PO4进行酸化.采用氢离子火焰检测器（FID）进行检测，岛津自动进样器SIL-10ADvp进行进样.具体色谱分析条件为:进样量为1.0μL；载气（氮气）流速为50mL/min；色谱分析柱型号为CPWAX52CB（30m×0.32mm× 0.25mm）；进样器和检测器温度分别为200℃和220℃，采用程序升温.测试过程中六种酸出峰的时间先后顺序依次为乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸、正戊酸，采用外标法进行定量分析，依据峰面积对各种VFAs进行定量分析［30］.研究中共涉及2种COD的分析:SCOD和TCOD，TCOD是污泥混合液直接采用快速消解分光光度法测定［31］，而SCOD是指样品在4000×g（离心力）下离心30min，取上清液经过0.45μm滤膜得到的滤液进行上述测定.

2 结果与讨论

2.1 厌氧发酵过程中SCOD与VFAs含量变化

剩余污泥厌氧发酵过程中SCOD和VFAs浓度变化如图1所示.随着发酵时间的延长，SCOD含量逐渐上升，发酵前5d SCOD含量上升较快，第5d后SCOD稍有增加但基本保持不变.这是因为颗粒有机物质水解为溶解性物质是厌氧发酵产酸阶段的限速步骤，发酵初期颗粒态有机物浓度较高，剩余污泥中颗粒态有机物向溶解态的转变速率较快，当浓度降低时其生成溶解态物质速率随之下降.厌氧发酵第8d实现VFAs含量最大值，此后随着发酵时间的延长VFAs稍有下降，这可能是由于微生物生长利用VFAs速率大于发酵产酸速率.VFAs基本维持在1720mg COD/L，约占SCOD的55%，这与Zhang等［32］的相关研究基本一致.

图1 剩余污泥碱性厌氧发酵过程中SCOD、VFAs含量变化Fig.1 Variations of SCOD and VFAs concentrations during fermentation of excess sludge under alkaline condition

图2 剩余污泥碱性厌氧发酵过程中VFAs各组分含量变化Fig.2 Concentration variations of various VFAs during fermentation of excess sludge under alkaline condition

剩余污泥厌氧发酵过程中VFAs各组分含量及所占比例随时间的变化情况分别如图2和图3所示.在6种VFAs中乙酸含量最高，约占总VFAs的50%；异戊酸和丙酸的含量次之，分别约占总VFAs的18%和15%；正丁酸和异丁酸的含量较少，所占比例均不到总VFAs的10%；正戊酸的含量最低，所占比例不到总VFAs的1%.

乙酸、丙酸含量之和约占总VFAs的65%，正丁酸、异丁酸和正戊酸的含量低于乙酸、丙酸的含量，这是因为这些较长链的脂肪酸可以在某些胞内酶的作用下进一步分解成乙酸、丙酸.厌氧发酵第10d时，异戊酸、异丁酸的含量分别高于正戊酸、正丁酸，这说明含支链有机酸与对应的直链有机酸相比，较难进一步生成小分子有机酸，其中，异戊酸所占比例高于丙酸所占比例，这表明生成C3以上含支链有机酸时间较长，且随着发酵时间延长部分丙酸可能通过β氧化途径生成了乙酸［33］.

图3 剩余污泥厌氧发酵过程中VFAs各组分所占比例变化Fig.3 Proportion variations of various VFAs during fermentation of excess sludge under alkaline condition

2.2 污泥厌氧发酵上清液燃料MFC的产电过程分析

污泥厌氧发酵液燃料MFC在一个完整周期的电压输出情况如图4所示，输出电压在6h左右达到最大值0.70V，随后稳定在（0.65±0.05V），反应器可实现250h的稳定电压输出，最大输出电压、稳定输出电压时间均高于文献报道的最大输出电压、稳定输出电压时间［34］.在250h以后输出电压迅速下降，当输出电压低于0.05V时，一个运行周期结束.据此污泥厌氧发酵上清液燃料MFC的产电过程可分为产电初期阶段（0～3h）、输出电压上升阶段（3～6h）、输出电压稳定阶段（6～250h）和输出电压下降阶段（250～300h）.产电过程输出电压变化规律与Xiao等［35］的研究一致，本研究缩短了产电初期阶段，有利于延长MFC稳定输出电压时间，表明污泥碱性厌氧发酵液比直接碱预处理污泥更适于作为MFC燃料.

结合反应器产电情况及TCOD消耗情况（初始及运行一个周期后TCOD浓度依次为4550、1600mg/L），将相关数据代入式（3）可计算得到MFC反应器的库伦效率为9.09%，库伦效率偏低.库伦效率被用来衡量阳极的电子回收效率，是底物浓度的函数.据报道，总体上MFC反应器的库伦效率随着乙酸含量增加而增加，丙酸含量变化对库伦效率影响不大，而库伦效率对丁酸含量更为敏感，当丁酸含量超过26%时，库伦效率急剧降低［36］；本研究中丁酸含量较高，可能会降低库伦效率.阳极液中悬浮生长的微生物（发酵细菌、产甲烷细菌等）与阳极表面的电化学活性生物膜存在竞争关系，前者对基质的利用会降低MFC反应器的库伦效率［37］.此外，由微生物生长和生物质合成所导致的阳极液中基质损失，也会降低MFC反应器的库伦效率［38］.

图4 污泥厌氧发酵液燃料MFC的输出电压Fig.4 Voltage output of MFC with the supernatant of anaerobically fermented excess sludge as fuel

2.3 污泥厌氧发酵上清液燃料MFC的燃料消耗分析

MFC产电过程中阳极燃料TCOD、SCOD及总VFAs含量变化如图5所示.TCOD、SCOD、VFAs呈现相似趋势，三者浓度均随产电时间延长呈现整体下降.初始TCOD、SCOD分别为4550、2790mg/L，反应器运行到260h时，TCOD含量降至1600mg/L，SCOD含量降至570mg/L， VFAs几乎全部被消耗，此后反应器的产电性能迅速变差，这一现象说明VFAs为厌氧发酵污泥燃料MFC产电过程的主要电子供体.总VFAs在产电初期较短时间内呈现下降趋势，随后呈现短时间的回升趋势，这一现象表明污泥厌氧发酵液加入阳极后会在水解发酵细菌的作用下进一步产生VFAs，产电过程初期VFAs的消耗与生成是同时存在的.

当反应器运行300h时，电池输出电压降低至50mV以下，TCOD、SCOD分别为1140、380mg/L，在一个运行周期内TCOD、SCOD的去除率分别为74.9%、86.4%，显著高于以原污泥为燃料时的51.1%、71.7%［39］.由此可见，污泥厌氧发酵液因含大量小分子、易降解的VFAs，比原污泥更适于用作MFC燃料.

图5 MFC产电过程中阳极燃料TCOD、SCOD及总VFAs浓度变化Fig.5 Concentration variations of TCOD， SCOD and total VFAs during MFC producing electricity

2.4 污泥厌氧发酵上清液燃料MFC的电子供体分析

MFC产电过程中各种VFAs浓度变化如图6所示.产电初期乙酸含量逐步上升，在运行至50h左右时其含量达到最大值，随后含量逐步降低，产电中后期各种VFAs中乙酸的消耗最快；丙酸在运行前30h内含量逐步降低，在运行30～90h期间丙酸含量逐步回升，此后随着产电过程的进行不断被消耗，异戊酸的含量变化情况与丙酸类似；正丁酸并未出现含量上升现象，随着产电过程的进行不断被消耗，在150h消失，其消耗速度仅次于乙酸；异丁酸的初始含量与正丁酸相近，反应器运行前80h内含量基本维持不变，随后被逐步消耗，消耗速度与其他VFAs相比相对较慢；正戊酸在反应器运行过程中也存在含量先升高后降低的过程，与其他VFAs相比产电过程中正戊酸的含量始终维持在较低水平.上述结果进一步表明，MFC产电过程中各种VFAs的消耗与产生同时存在，消耗总体快于产生.各种VFAs消耗快慢依次为:乙酸＞正丁酸＞丙酸＞正戊酸＞异戊酸＞异丁酸.

Freguia等［40］研究表明，由6种单一VFA组成的混合VFAs作为MFC燃料时，各种VFA的消耗快慢依次为乙酸＞丙酸＞正丁酸＞正戊酸＞异戊酸＞异丁酸.与本研究得出的消耗速度顺序不同，这主要是因为Freguia等［40］的研究中阳极燃料是采用人工配水的方式，而本研究中是以污泥碱性厌氧发酵上清液作为阳极燃料.由于污泥厌氧发酵液中物质组成复杂，相对于丙酸而言，正丁酸更易被阳极产电微生物利用，这有待于后续实验的进一步验证.

图6 MFC产电过程中各种VFAs浓度变化Fig.6 Concentration variations of various VFAs during MFC producing electricity

3 结论

3.1 剩余污泥在pH值为10和温度为25℃的条件下厌氧发酵10d，离心后得到污泥厌氧发酵液，其中VFAs总量约占SCOD含量的55%.在6种VFAs中乙酸含量最高，约占总VFAs的50%；异戊酸和丙酸的含量次之，分别约占总VFAs的18%和15%；正丁酸和异丁酸的含量较少，所占比例均不到总VFAs的10%；正戊酸的含量最低，所占比例不到总VFAs的1%.

3.2 以上述污泥厌氧发酵液作为阳极燃料、铁氰化钾溶液为阴极电子受体，成功启动双室MFC，反应器实现了250h的稳定电压输出（0.65± 0.05V），库伦效率为9.09%.

3.3 在MFC产电过程中，阳极室内TCOD、SCOD、VFAs呈现整体下降趋势；TCOD、SCOD的去除率分别为74.9%、86.4%；VFAs消耗完毕伴随着反应器产电性能的迅速变差，表明VFAs是污泥厌氧发酵液燃料MFC产电过程的主要电子供体.

3.4 在MFC产电过程中，VFAs的消耗与产生同时存在，消耗总体快于产生；各种VFAs消耗快慢依次为:乙酸＞正丁酸＞丙酸＞正戊酸＞异戊酸＞异丁酸.

［1］Logan B E， Hamelers B， Rozendal R A，et al. Microbial fuel cells: Methodology and technology ［J］. Environmental Science and Technology， 2006，40（17）:5181-5192.

［2］Gil G C， Chang I S， Kim B H，et al. Operational parameters affecting the performance of a mediator-less microbial fuel cell［J］. Biosensors and Bioelectronics， 2003，18（4）:327-334.

［3］Chae K-J， Choi M-J， Lee J-W，et al. Effect of different substrates on the performance， bacterial diversity， and bacterial viability in microbial fuel cells ［J］. Bioresource Technology， 2009，100（14）: 3518-3525.

［4］Sun M， Sheng G-P， Mu Z-X，et al. Manipulating the hydrogen production from acetate in a microbial electrolysis cell-microbial fuel cell-coupled system ［J］. Journal of Power Sources， 2009，191（2）:338-343.

［5］吕淑彬，李雪瑾，覃 宇，等.TiO2纳米孔阵列光催化废水燃料电池的性能研究 ［J］. 中国环境科学， 2013，33（2）:221-226.

［6］Pant D， Van Bogaert G， Diels L，et al. A review of the substrates used in microbial fuel cells （MFCs） for sustainable energy production ［J］. Bioresource Technology， 2010，101（6）:1533-1543.

［7］Rulkens W. Sewage sludge as a biomass resource for the production of energy: Overview and assessment of the various options ［J］. Energy and Fuels， 2008，22（1）:9-15.

［8］Jorge F C， Dinis M A P. Sewage sludge disposal with energy recovery: A review ［J］. Proceedings of the ICE-Waste and Resource Management， 2013，166（1）:14-28.

［9］王晓利，曾正中，王厚成，等.污泥处理处置及资源化方法探讨［J］. 环境工程， 2014，32（3）:150-154.

［10］Rulkens W H， Bien J D. Recovery of energy from sludge -comparison of the various options ［J］. Water Science and Technology， 2004，50（9）:213-221.

［11］贾 斌，刘志华，李小明，等.剩余污泥为燃料的微生物燃料电池产电特性研究 ［J］. 环境科学， 2009，30（4）:1227-1231.

［12］郑 峣，刘志华，李小明，等.剩余污泥生物燃料电池输出功率密度的影响因素 ［J］. 中国环境科学， 2010，30（1）:64-68.

［13］Zhang G， Zhao Q， Jiao Y，et al. Efficient electricity generation from sewage sludge using biocathode microbial fuel cell ［J］. Water Research， 2012，46（1）:43-52.

［14］Wang Z， Ma J， Xu Y，et al. Power production from different types of sewage sludge using microbial fuel cells: A comparative study with energetic and microbiological perspectives ［J］. Journal of Power Sources， 2013，235:280-288.

［15］Jiang J， Zhao Q， Wei L，et al. Degradation and characteristic changes of organic matter in sewage sludge using microbial fuel cell with ultrasound pretreatment ［J］. Bioresource Technology，2011，102（1）:272-277.

［16］Yang F， Ren L， Pu Y，et al. Electricity generation from fermented primary sludge using single-chamber air-cathode microbial fuel cells ［J］. Bioresource Technology， 2013，128:784-787.

［17］方 丽，刘志华，李小明，等.微波预处理污泥上清液为燃料的微生物燃料电池产电特性研究 ［J］. 环境科学， 2010，31（10）:2518-2524.

［18］刘志华，李小明，方 丽，等.污泥为燃料的微生物燃料电池运行特性研究 ［J］. 中国环境科学， 2012，32（2）:268-273.

［19］Xiao B， Yang F， Liu J. Enhancing simultaneous electricity production and reduction of sewage sludge in two-chamber MFC by aerobic sludge digestion and sludge pretreatments ［J］. Journal of Hazardous Materials， 2011，189（1）:444-449.

［20］杨 慧，刘志华，李小明，等.外加酶强化剩余污泥微生物燃料电池产电特性的研究 ［J］. 环境科学， 2012，33（1）:216-221.

［21］刘志华，李小明，杨 慧，等.不同处理方式污泥为燃料的微生物燃料电池特性研究 ［J］. 中国环境科学， 2012，32（3）:523-528.

［22］Chen Y， Luo J， Yan Y，et al. Enhanced production of short-chain fatty acid by co-fermentation of waste activated sludge and kitchen waste under alkaline conditions and its application to microbial fuel cells ［J］. Applied Energy， 2013，102:1197-1204.

［23］Feng L， Chen Y， Zheng X. Enhancement of waste activated sludge protein conversion and volatile fatty acids accumulation during waste activated sludge anaerobic fermentation by carbohydrate substrate addition: the effect of pH ［J］. Environmental Science and Technology， 2009，43（12）:4373-4380.

［24］郝小旋，周秀秀，张 姣，等.厌氧发酵污泥燃料电池处理含铬废水的效能及机理 ［J］. 中国环境科学， 2014，34（10）:2581-2587.

［25］陈银广，冯雷雨，严媛媛.一种提高以污泥为燃料的微生物燃料电池产电效果的方法:中国， 102104164 ［P］. 2013-01-02.

［26］Chaudhuri S K， Lovley D R. Electricity generation by direct oxidation of glucose in mediatorless microbial fuel cells ［J］. Nature Biotechnology， 2003，21（10）:1229-1232.

［27］曹效鑫.微生物燃料电池中产电菌与电极的作用机制及其应用［D］. 北京:清华大学， 2009.

［28］Jiang J， Zhao Q， Zhang J，et al. Electricity generation from bio-treatment of sewage sludge with microbial fuel cell ［J］. Bioresource Technology， 2009，100（23）:5808-5812.

［29］Logan B E， Microbial fuel cells ［M］. John Wiley and Sons， 2008.

［30］杨承义.环境监测 ［M］. 天津:天津大学出版社， 1993.

［31］HJ/T 399-2007 水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法［S］. 2007.

［32］Zhang P， Chen Y， Zhou Q，et al. Understanding short-chain fatty acids accumulation enhanced in waste activated sludge alkaline fermentation: kinetics and microbiology ［J］. Environmental Science and Technology， 2010，44（24）:9343-9348.

［33］苑宏英.基于酸碱调节的剩余污泥水解酸化及其机理研究 ［D］.上海:同济大学， 2006.

［34］赵庆良，姜珺秋，王 琨，等.微生物燃料电池处理剩余污泥与同步产电性能 ［J］. 哈尔滨工程大学学报， 2010，31（6）:780-785.

［35］Xiao B， Yang F， Liu J. Evaluation of electricity production from alkaline pretreated sludge using two-chamber microbial fuel cell［J］. Journal of Hazardous Materials， 2013，254:57-63.

［36］滕少香.以电极为电子受体的厌氧过程中污染物转化机制与微生物学研究 ［D］. 济南:山东大学， 2010.

［37］Logan B E， Rabaey K. Conversion of wastes into bioelectricity and chemicals by using microbial electrochemical technologies［J］. Science， 2012，337（6095）:686-690.

［38］Liu H， Cheng S， Logan B E. Production of electricity from acetate or butyrate using a single-chamber microbial fuel cell ［J］. Environmental Science and Technology， 2005，39（2）:658-662.

［39］Ge Z， Zhang F， Grimaud J，et al. Long-term investigation of microbial fuel cells treating primary sludge or digested sludge ［J］. Bioresource Technology， 2013，136:509-514.

［40］Freguia S， Teh E H， Boon N，et al. Microbial fuel cells operating on mixed fatty acids ［J］. Bioresource Technology， 2010，101（4）: 1233-1238.

Performance and electron donor analysis of microbial fuel cell with supernatant of anaerobically fermented excess sludge as substrate.

HUANG Guo-zheng1， HAO Xiao-xuan1， ZHANG Jiao2， ZHANG Zhi-qiang1*， XIA Si-qing1 （1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse， College of Environmental Science and Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China；2.School of Civil Engineering and Transportation， Shanghai Technical College of Urban Management， Shanghai 200432， China）. China Environmental Science， 2015，35（12）：3595～3601

A double-chamber microbial fuel cell （MFC） was successfully started up by using the supernatant of anaerobically fermented excess sludge as substrate in the anode chamber and potassium ferricyanide as electron acceptor in the cathode chamber. The concentration changes of various volatile fatty acids （VFAs） in the supernatant were investigated during the anaerobic fermentation process of the sludge. Then the electricity production process of the MFC was studied， and the substrate consumption and electron donors during electricity production were also analyzed. The results indicated that the acetic acid concentration was the highest （approximately accounting for 50% of total VFAs），followed by isovaleric acid and propionic acid （respectively about 18% and 15% of total VFAs）， n-butyric acid and isobutyric acid （all less than 10% of total VFAs）， while the n-valeric concentration was the lowest （less than 1% of total VFAs） among the VFAs in the supernatant of anaerobically fermented sludge. The MFC kept a stable voltage output（0.65±0.05V） for 250h， and the coulombic efficiency was 9.09%. An overall degradation trend was found among the total chemical oxygen demand （TCOD）， the soluble chemical oxygen demand （SCOD） and VFAs during electricity production of the MFC. The removal rates of TCOD and SCOD were 74.9%、86.4%， respectively. The complete consumption of VFAs was accompanied by the rapid deterioration of the electricity production performance， indicating that the main electron donors were VFAs. The consumption and production of VFAs existed simultaneously during the process of electricity generation， while the consumption rates were faster than the production rates in general. The consumption rate sequence of various VFAs was as following: acetic acid＞ n-butyric acid＞ propionic acid＞ n-valeric acid＞ isovaleric acid＞isobutyric acid.

microbial fuel cell；excess sludge；anaerobic fermentation；volatile fatty acids；electron donor

X703.1

A

1000-6923（2015）12-3595-07

黄国正（1991-），男，江西抚州人，同济大学环境科学与工程学院硕士研究生，主要从事污水处理与资源化技术研究.

2015-05-05

国家科技支撑计划课题（2013BAD21B03）；同济大学“盛云飞大学生科技创新实践基金”资助课题

* 责任作者， 副教授， zhiqiang@tongji.edu.cn