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李毅 胡翔 王程遠 王瑞林
(北京化工大學化學工程學院，北京100029)
[摘要]設計了一個經典的雙室微生物燃料電池，并考察了其在接種厭氧污泥條件下對葡萄糖模擬廢水的產電性能。試驗采用間歇運行的方式，主要考察了電極材料及初始COD對微生物燃料電池產電性能的影響。結果表明，當外阻為100Ω時，該電池在初始COD為1000mg/L，以石墨為電極的運行條件下產電性能最好，最大電流密度為4.4mA/m2。另外，還對以水及好氧污泥作為電池陰極時系統的產電性能進行了對比。通過對兩者極化曲線的分析可知，以好氧污泥作為電池陰極可以大大減小系統的內阻，從而提高電池的產電性能。
微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)是一種利用微生物體作為催化劑將有機物質及無機物質氧化并產生電能的裝置[1]。隨著環境問題日益嚴峻以及經濟高速發展對能源需求的日益增加，微生物燃料電池的研究也越來越受到人們的重視。H.Liu等[2]以城市生活污水為營養物質構成的新型微生物燃料電池，實現了對污水處理的同時回收電能，從而在一定程度上降低了污水的處理成本。
然而，現在國內外大部分關于微生物燃料電池的研究都集中在單容器型的微生物燃料電池方面，重點都圍繞著減少微生物燃料電池的內阻，從而提高微生物燃料電池的產電性能[3]。傳統的廢水處理工藝中，生物處理部分主要是由好氧生物處理和厭氧生物處理組成。這與傳統的雙室微生物燃料電池的構造相匹配。因此，雙室微生物燃料電池是在廢水處理過程中，實現廢水處理和能源回收的理想模式。
基于上述觀點，筆者設計了一個雙室微生物燃料電池，利用該電池裝置進行產電實驗研究，并通過模擬實際廢水處理工程中的具體工藝流程考察了該裝置的產電性能。
1.實驗部分
1.1雙室微生物燃料電池系統的搭建
雙室微生物燃料電池系統如圖1所示，該電池由有機玻璃制成，主要由陰極室和陽極室兩部分構成。
在該雙室微生物燃料電池系統中，由恒溫磁力加熱攪拌器對陽極室內的混合液進行連續攪拌，以保證營養物質和微生物體充分混合;陰極室內則由一小型空氣泵對內曝氣充氧。單室呈圓柱型，有效容積為2009mL(D80mm×400mm)，兩電極均由石墨制成，有效面積為350cm2。陰陽兩室以質子交換膜(Nafion117，杜邦)連接，其連接處有效面積約為13cm2。外電路負載是一可調電阻箱(ZX97E，1~1000000Ω)。該燃料電池產生的電壓信號由外接的數據采集系統(personalDaq/56)自動收集。
1.2實驗條件
陽極室中的接種污泥是來自北京市高碑店污水處理廠污泥消化池中的消化污泥。在室溫下利用COD約為200mg/L的葡萄糖模擬廢水培養7d，以恢復污泥的活性并富集菌種。基質為葡萄糖配制成的營養儲備液，其pH保持在7左右[4]，COD約為1000mg/L。厭氧泥及基質在進入反應器前，均需通入一定時間的氮氣以去除其中的溶解氧。在整個實驗過程中保持陽極室中的厭氧狀態，當一個產電周期結束后，停止攪拌，待混合液中污泥沉降完全后，棄去上清液，重新添加新的營養物質。整個微生物燃料電池的運行溫度基本維持在35℃左右[5]。在整個實驗過程中，保持外路電阻不變，約為100Ω。
1.3分析項目與方法
COD的測定:按照GB/T11914-1989規定的方法測定。
電化學性質的確定:電池的輸出電壓U由數據采集系統自動記錄，電路中的電流I=U/Rw，其中Rw為外阻。電流密度ρ(I)=I/A，其中A為電極的有效面積。功率密度ρ(P)=ρ(I)×U。
2.試驗結果
2.1電極材料對微生物燃料電池產電性能的影響
對于微生物燃料電池而言，電極材料直接關系到該電池的電子傳輸速率以及其內阻大小，對其產電性能有著顯著的影響。本試驗主要考察了兩種電極材料。一種是成本較低、機械強度較好的石墨。由于石墨電極的反應表面為平面，故選用碳纖維紙(簡稱為碳紙，GEFC-GDL3，北京金能)作為對比的電極材料。同傳統的石墨電極相比，碳紙具有體積小、質量輕、孔隙率高等優點。兩電極材料的對比實驗都是在COD為1000mg/L、外阻為100Ω的條件下進行的。兩者產電性能的比較如圖2所示。
從圖2可知，石墨電極產電的穩定性優于碳紙電極，在其后期該趨勢顯得更加明顯，石墨電極外路的平均電流密度比碳紙電極高出30%，達到4.4mA/m2。
2.2 COD對微生物燃料電池產電性能的影響
試驗研究了在城市污水處理過程中COD對微生物燃料電池產電性能的影響。依據城市污水中COD的范圍，主要考察了微生物燃料電池在不同初始COD條件下的產電性能。COD對微生物燃料電池外路電流密度的影響如圖3所示。
由圖3可以看出，在COD為200mg/L時，電池的電流密度隨著運行時間的增加而增大，在運行9h后出現產電高峰，電流密度約為1.1mA/m2。該產電高峰持續6h后開始逐漸下降，在運行時間為24h左右時降為初始水平。隨著COD的增加，電池的穩定產電時間及電流密度呈現出明顯的上升趨勢。當COD為1500mg/L時，該電池的電流密度與COD為1000mg/L時無明顯的差異，穩定在4.4mA/m2左右，穩定產電時間約為90h。在整個實驗過程中，該電池對COD的去除率都穩定在70%左右。
2.3好氧污泥作為陰極的產電規律
為了模擬微生物燃料電池在廢水處理過程的實際應用，筆者在電池裝置的陰極(好氧端)接種1000mL好氧污泥，該污泥取自北京市北小河污水處理廠的污泥回流池，污泥沉降性好，生物相豐富，MLSS為5.87g/L。曝氣24h恢復活性后投加1000mL葡萄糖模擬廢水，COD約為500mg/L。陰極內采用間歇式反應，HRT控制在12h左右。好氧污泥作為陰極后微生物燃料電池的產電性能如圖4所示。
由圖4可知，以好氧污泥反應器作為陰極后微生物燃料電池的穩定產電時間，約為40h左右，穩定狀態下的輸出電流密度為17.3mA/m2左右，是以水作為陰極時的4倍。好氧端對COD的去除率為82%，實現了對廢水處理的同時進行電能的回收。
2.4好氧污泥作為陰極時產電性能提高的機理
從上面的實驗可以看出，當好氧污泥作為陰極時，微生物燃料電池的產電性能有了顯著的提高，而產電性能的提高主要是由于好氧污泥的加入改變了電池系統內阻的大小。為了考察兩種不同陰極條件下微生物燃料電池內阻的大小，分別對兩者做了極化曲線分析。由歐姆定律可知，當外路電阻與電池系統內阻相等時，該電池的輸出功率最大。通過逐漸增加外路電阻的大小，可以得到該電池系統的極化曲線，不同陰極條件下系統的極化曲線如圖5所示。
從圖5可知，單純以水作為陰極時系統的內阻約為10000Ω，該值遠遠大于以好氧污泥作為陰極時的內阻(約為900Ω)。分析其中原因，一方面是由于陰極加入好氧污泥及模擬廢水后，該部分的離子濃度有了一定程度的提高，有利于質子傳遞到石墨電極上;另一方面是由于好氧污泥的微生物群落中存在著可以直接傳遞質子的微生物，這也大大提高了質子的傳遞效率。
3.結論
(1)雙室微生物燃料電池通過一定時間的馴化培養后可以獲得較穩定的輸出電流，該生物燃料電池最佳的初始COD為1000mg/L時，在外阻為100Ω的條件下，輸出電流密度為4.4mA/m2，且對COD有較高的去除率，約為70%。
(2)對于石墨和碳紙兩種電極材料而言，石墨電極的產電性能以及機械強度較好，更適合于實際的工程應用。
(3)使用好氧污泥作為微生物燃料電池的陰極可大大減小電池系統的內阻，從而提高了電池的產電性能，該狀態下電池的最大輸出功率為1.94mW/m2，實現了對廢水處理的同時回收電能。
[參考文獻]
[1]Logan B E,Hamelers B,Rozendal R,et al.Microbial fuel cells:methodology and technology[J].Environmental Science Technology,2006,40(17):5181-5192.
[2]Liu H,Ramnarayanan R,Logan B E.Production of electricity during wastewater treatment using a single chamber microbial fuel cell[J].Environmental Science Technology,2004,38(7):2281-2285.
[3]曹效鑫,梁鵬,黃霞.“三合一”微生物燃料電池的產電特性研究[J].環 境科學學報,2006,26(8):1252-1257.
[4]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.
[5]Moon H,Chang I S,Kim B H.Continuous electricity production from artificial wastewater using a mediator-less microbial fuel cell[J]. Bioresource Technology,2006,97(4):621-627. |
