杨耀彬，兰　天

(吉林化工学院化学与制药工程学院，吉林　吉林　132022)



微生物燃料电池在污水处理中的应用概况*

杨耀彬，兰天

(吉林化工学院化学与制药工程学院，吉林吉林132022)

近年来水污染、能源枯竭的问题日益严重，使人类的生存环境和能源安全受到了威胁。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells, MFC)在降解污水同时获得电能，成为了保护环境和发展可再生能源的一项新技术。以处理工业废水、生活污水、农业固体废水、垃圾渗滤液、养殖废水和重金属回收等为例综述了微生物燃料电池技术在污水处理中的应用。其中，处理工业废水产电性能最为突出，其最大功率为375 mW/m2。

微生物燃料电池；污水处理；产电性能

随着经济和工业化的迅速发展，传统化石能源的储量正在不断减少，同时环境污染问题也日益严重。为了满足人们生产生活的需求，寻找再生能源和缓解环境污染已成为人类首要解决的两大问题。MFC在处理污水的同时还能产生电能，已成为当前能源和环境领域的研究热点。它是一种以微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成电能的装置[1]。具有清洁、安全、高效以及可再生的优点。自20世纪90年代起，MFC在环境领域的研究引起人们的关注，于1991年首次成功应用于城市生活污水处理[2]。此后，研究重点逐渐拓展至应用领域，展示出MFC在环境领域的巨大潜力。MFC因其独特的去污产电特性，不仅实现了治理环境污染，同时变废为宝、缓解了当前能源危机，具有极大的研究价值。本文综述了MFC技术在各类污水处理方面的研究进展，以期能在环境治理和能源方面得到更广泛的应用，为将来的研究工作提供一定的参考和借鉴。

1　在处理工业废水中的应用

在全球工业化的今天，产生了一些难以降解并且对环境造成污染的物质，这些难降解污染物排放到自然环境后，会长期的存在和积累，对人类健康和生态环境构成严重的危害。目前,MFC已经涉及到多种工业废水处理领域，包括：丙烯腈生产废水[3]、酿酒废水[4]、淀粉生产废水[5]、其它难降解有毒废水[6]的处理及反硝化脱氮中的应用[7]。其中在处理淀粉生产废水中效果最为突出，Lu等[8]利用单室空气阴极MFC，以玉米淀粉废水作为接种液和基质，探讨了高浓度COD、高氨氮有机废水处置和产电的可行性。发现，试验最高输出电压达490.8 mV，相应的电流密度为893.3 mA/m2，最大功率密度达239.4 mW/m2，内阻约为120 Ω，COD的去除率达到98%。随着MFC对工业废水处理的进一步研究，对它的应用可向实用化推进，并且为工业废水的处理提供了一条既能高效降解又可以产能的新途径。

2　在处理生活污水中的应用

生活污水中含大量氮、磷等物质，严重污染水源，其排放量大，使污水厂运行成本不断增加。吴伟杰[9]、Min[10]等分别利用不同工艺的MFC对较高COD值的生活污水进行处理，在系统稳定运行后，前者最大功率密度为77.6 mW/m3，后者COD去除率为79%，平均输出功率密度约为43 mW/m3。均展现了较好的效果。MFC应用于生活污水处理已成为各国研究的热点，去除污染物质同时将其转化为电能。这种I/A(Innovative and Alternative Technology)技术是目前污水处理领域里重点开发的新技术之一。

3　在处理农业固体废水中的应用

近年来，由于农业的迅速发展，农业固体废水产生量急剧增多，严重危害土地性质并对环境造成污染。Cheng等[11]采用氨气修饰碳布阳极、空气阴极的MFC，处理含纤维素废水，结果表明单室MFC处理纤维素产电性能较好。此外，农作物干草[12]食物残渣[13]及天然植物，如：美人蕉[14]，均可应用于MFC并获得良好的产电性能和降解效果。MFC把降解农业固废和高效的产电性能有机结合起来，减轻了对土地和环境的污染,其很可能成为固体废物资源化新的方向。

4　在处理垃圾渗滤液中的应用

相对于其他废水，垃圾渗滤液成分更为复杂，含有大量有毒物质，并且COD浓度可高达上万，对周围土壤、地下水层和大气造成严重污染。尤世界等[15]首次将垃圾渗滤液作为MFC的能源物质，研究了它对垃圾渗滤液的降解效果和产电特性，结果发现，MFC的内阻约为510 Ω，COD去除率高达98%，功率密度为6.8 W/m2。高秀红[16]、程李钰等[17]分别利用MFC技术对低浓度垃圾渗滤液和老龄垃圾渗滤液进行处理，结果表明：沉积型MFC处理低浓度垃圾渗滤液时，输出电压呈周期性变化，最大输出电压78 mV，氨氮去除率达到59%。而生物阴极型双室MFC在处理老龄垃圾渗滤液时，当阳极与阴极面积比为2:2时，输出电压值最大为452 mv，电功率密度为237.65 mW/m3，氨氮去除率达到73.61%。作为具有降解污水和产能双功效的MFC技术，对垃圾渗滤液降解效果明显，减轻了对水体和大气环境的破坏。它的出现必将对传统废水处理技术和观念的更新起着巨大推动作用。

5　在处理养殖废水中的应用

养猪场废水含有大量有机物、悬浮物、氮、磷，并散发恶臭气体，水量大且排放集中，对环境和水体造成严重污染。Min等[18]率先将双室液相阴极型MFC和单室空气阴极型MFC技术应用于猪场废水的研究，结果表明，双室MFC处理溶解性化学需氧量为8320 mg/L的猪场废水可获得最大的功率密度为45 mW/m2，而单室MFC处理更高浓度的猪场废水时，可获得最大功率密度为261 mW/m2, 氨氮的去除率达到了83%。此后，Yokoyama等[19]采用单室空气阴极反应器对牛粪便进行了处理时，COD和生化需氧量去除率分别为70%和84%，最大功率密度为0.34 mW/m2。MFC在降解养殖废水中所含有机物的同时获得了电能，保护了环境和水体不受污染，这项技术对养殖废水的处理提供了很大的帮助。

6　在处理重金属废水中的应用

随着矿冶、机械制造、化工生产排出的大量重金属废水不断增多，对环境和水体造成了污染，会严重影响到人们的健康，甚至威胁到人类的生存环境。目前已有应用MFC技术处理含汞[20]、Cr[21]、银[22]、锰[23]等废水的报道，并且都展现了较高降解率和较大输出功率。其中，在回收汞中获得最大的功率密度达到433.1 W/m2，处理含银废水中，回收率最高可达99. 91%。MFC不仅可以回收有价值金属，在降解重金属废水的同时还获得电能，它作为燃料电池的一位重要而特殊的成员，在处理重金属废水方面势必会发挥越来越大的作用。

7　结　语

近年来，人们对MFC在污水处理中的研究已经取得了一定成果，在降解污水的同时获得了电能，极大的缓解了当前环境污染和能源危机等问题。MFC具有反应条件简便，安全性强、清洁高效、产物无污染等特点，具有极大的研究价值和应用前景。目前为止，这项技术已经涉及到了多种污水处理领域的研究。在全球能源短缺、环境污染的严峻形势下，废物资源化是发展的大趋势，凡是可循环利用的资源，都要物尽其用。利用MFC降解多种废水同时产电有着很大发展空间，随着生物和化学学科交叉研究的深入,其必将在处理污水和能源可持续发展方面得到更广阔的应用。

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Application of Microbial Fuel Cells in Wastewater Treatment*

YANGYao-bin,LANTian

(Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin Jilin 132022, China)

The people survival environment and energy security have been threatened by the increasingly serious water pollution and energy consumption in recent years. Microbial fuel cells, as a novel technology of environment protection and renewable Energy development, can produce electricity integrated with sewage degradation. The application of the microbial fuel cell technology on treatment of industrial wastewater, domestic wastewater, agricultural solid wastewater, landfill leachate, swine wastewater and heavy metal reclaiming was reviewed. Industrial wastewater exhibited the highest power generation characteristics with 375 mW/m2output.

microbial fuel cell; wastewater treatment; electricity production performance

中国国家留学基金资助(No.201208220224)。

杨耀彬(1971-)，女，博士，副教授，主要从事无机功能材料的制备与应用研究。

TQ09

A

1001-9677(2016)018-0169-03