微生物燃料電池處理廢水時(shí)的產(chǎn)電性能研究

本實(shí)驗(yàn)主要考察了在處理不同COD濃度的城市污水過程中微生物燃料電池產(chǎn)電性能。考慮到城市污水中COD的濃度一般不高，所以該實(shí)驗(yàn)主要考慮了 燃料電池系統(tǒng)陽極（厭氧端）在COD分別為200、 400、600、800、1000、1500mg/L的情況下的產(chǎn)電性能。微生物燃料電池在不同COD 濃度下的輸出電流密度 如圖3所示。從圖3中可以看出，在不同的COD濃度下，電池系統(tǒng)都有一定的電流產(chǎn)出。隨著COD濃度的增加，微生物燃料電池系統(tǒng)的輸出電流密度在不斷的 增大，特別是當(dāng)?shù)孜餄舛葟?00g/L上升到1000mg/L 的時(shí)候，該系統(tǒng)的輸出電流密度出現(xiàn)了急劇的增長， 電流密度從 1.6mA/m2上升到了4.5mA/m2。但是，隨 著COD濃度的繼續(xù)增加，底物濃度從1000mg/L上升 到1500mg/L時(shí)，增長趨勢變得平緩，輸出電流沒有明 顯的增長。該燃料電池系統(tǒng)在不同COD濃度下對(duì)模 擬廢水中的COD都具有很好的去除效果。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中電池系統(tǒng)對(duì)COD的去除率都穩(wěn)定在70%左 右。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該電池系統(tǒng)對(duì)不同濃度的 城市污水都有很好的處理效果，特別是對(duì)于低濃度的 城市污水（200~400mg/L），經(jīng)過微生物燃料電池系統(tǒng) 處理后出水的COD濃度可以達(dá)到100mg/L以下。因此，利用微生物燃料電池既能處理廢水達(dá)到環(huán)境保護(hù)的要求又能回收一部分的電能。

2.3.1雙室微生物燃料電池的產(chǎn)電規(guī)律

為了研究雙室微生物燃料電池的產(chǎn)電規(guī)律，對(duì)上 述不同COD條件下電池的累計(jì)產(chǎn)電量進(jìn)行分析，實(shí) 驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)初始COD濃度為 1000mg/L時(shí)，此時(shí)微生物燃料電池的累計(jì)產(chǎn)電量接 近最大值，約為 26C。當(dāng)初始COD低于該值時(shí)，累積 產(chǎn)電量隨底物濃度的增加而增加，而當(dāng)濃度超過這一 值時(shí)，累計(jì)產(chǎn)電量不再隨底物濃度的增加而顯著提 高。這一變化規(guī)律恰恰符合酶促反應(yīng)的Monod方程， 則用該方程來描述微生物燃料電池與初始COD之間 的關(guān)系：

由圖4中的非線性回歸分析，可得半飽和常數(shù) KS=1211mg/L，該微生物燃料電池的最大產(chǎn)電量Qmax= 27.52C。

2.3.2雙室微生物燃料電池的COD降解規(guī)律

為了研究微生物燃料電池在實(shí)際廢水處理過程 中應(yīng)用的可行性，不僅需要考察其產(chǎn)電性能的高低， 該體系對(duì)廢水中污染物的處理效果也是需要重點(diǎn)考 察的。為了分析和評(píng)價(jià)電池系統(tǒng)的廢水處理能力，本 實(shí)驗(yàn)考察了電池系統(tǒng)針對(duì)不同COD濃度的廢水處理 能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，微生物燃料電池對(duì)于廢水中COD 的降解規(guī)律符合酶促反應(yīng)關(guān)于底物濃度的一級(jí)動(dòng)力 學(xué)方程，擬和曲線的回歸率較高。對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程 而言，整個(gè)電池系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間保持不變約為24h。因 此，由回歸方程可以得出微生物燃料電池系統(tǒng)對(duì)廢水 中COD的降解速率常數(shù)為k=0.215h-1。

2.4好氧生物處理在微生物燃料電池系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了將微生物燃料電池與廢水的實(shí)際處理過程 有機(jī)的結(jié)合起來，進(jìn)一步考察該系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際廢水 處理過程中可行性。本實(shí)驗(yàn)在電池系統(tǒng)的陰極（好氧 端）接種1000mL好氧污泥，用好氧污泥及其代謝產(chǎn) 物作為電子受體代替通常的空氣陰極。該好氧污泥取 自北京市北小河污水處理廠的污泥回流池中，污泥沉 降性好，生物相豐富，MLSS為5.87g/L。曝氣24h恢復(fù) 活性后投加1000mL葡萄糖模擬廢水，COD約為 500mg/L。陰極內(nèi)采用間歇式反應(yīng)，水力停留時(shí)間控制 在12h左右。

好氧污泥作為陰極后微生物燃料電池的產(chǎn)電性 能如圖6所示。好氧污泥作為陰極后，微生物燃料電 池的輸出電流密度約為17.3mA/m2，大約是單純以空 氣作為陰極時(shí)的電流密度時(shí)的4倍。電池陰極（好氧 端）添加好氧污泥后，出水COD濃度約為60mg/L，好 氧端對(duì)廢水中的COD去除率達(dá)到了 82%。從實(shí)驗(yàn)結(jié) 果可以看出，用好氧污泥代替空氣作為電子受體后可 以大大提高微生物燃料電池的產(chǎn)電性能。同時(shí)將微生 物燃料電池的厭氧端（陽極）和好氧端（陰極）與傳統(tǒng) 廢水處理中的好氧和厭氧生物處理有機(jī)的結(jié)合起來，

達(dá)到了很理想的廢水處理效果的同時(shí)也回收了一定 的電能，滿足了廢水處理資源化的要求。