摘要 针对养猪废水 COD 浓度大和可生化性强的特点， 建立微生物燃料电池处理养猪废水， 考察微生物燃料电池对 COD 去除效果，研究不同 pH 值和电导率对微生物燃料电池去除养猪废水 COD 影响。 结果表明，当 COD 浓度从 1325mg/L 增加到 9020mg/L， 电池输出电量从 9.7C 增加到 44.1C; 调节养猪废水 pH 为 6.5、8.4 和 10.2，NaCl 溶液控制三组实验电导率为 3300μs/cm，微生物燃料电池最大输出电压分别为 288mV、366mV 和 450mV，COD 去除率为 58.4%、60.8%和 76.4%;pH 为 10.2，投加 NaCl 浓度分别为(0、150 和 300)mmol/L，废水 COD 去除率分别为 61.6%、67.0 和 68.4%。
关键词 微生物燃料电池 养猪废水 产电 废水处理
1 实验部分
1.1 实验装置实验由 3 组 MFC 反应器组成， 每组采用双室 MFC 构型，如图 1 所示。 2 个长方形有机玻璃电解液槽，尺寸都是 20cm×30cm×15cm，阳极材料是硝酸修饰的碳纤维布，阴极采用负载 0.25mg/cm 铂催化剂的碳纤维布电极。 电液池中间采用有效面积 280cm2 的质子交换膜(PEM)，使用钛丝将电极相连接，外接电阻 1000Ω。实验过程中， 每个 MFC 反应器输出电压通过数据采集卡(PISO-813，台湾鸿格科技有限公司)采集，并与电脑相连，利用配套采集卡软件记录下电压数据，自动保存为 txt 文档。
1.2 MFC 启动和运行设计电 解 液 槽 的 污 泥取自南京市江心洲污泥浓缩池污泥，取回后将 新 鲜 的 污 泥 放 入 4℃冰箱保存备用。 3 组 MFC 同时 启动，采用序批式培养的方法进行微生物接种，在驯化期间，每隔 24h 更换 1 次进水溶液，如此循环，在驯化的几个小时内数据采集卡不记录数据，等到电压稳定后开始记录数据。 实验过程中进行了 3 次平行对照，保证实验数据可靠性。
1.3 分析方法实验过程中 COD 指标采用国家标准测定方法[7];溶液 pH 值通过手提式 pH 计(FE20，梅特勒-托利多)记录;电导率通过手提式电导率仪(DDS-307，上海雷磁)记录;电流和电压通过数据采集卡自动记录， 实验过程中 MFC 产生电量 Q： Q= t 乙0 Idt= t i = 0 ΣUi R (1)式(1)中，I 是电流/A;t 是单个运行周期的时间/s;ti 是单个运行 周 期 第 i 秒/s;Ui 是 第 i 秒 对 应 的 电 压 N;R 是 外 接 电 阻(MFC 自身电阻很小，忽略不计)/Ω[8]。
2 结果与讨论
2.1 COD 浓度对 MFC 产电性能的影响 MFC 微生物驯化结束后，COD 浓度处于合适范围直接影响着微生物的生长过程，从而对微生物燃料电池产电性能有着重要影响。如图 2 所示，MFC 一个运行周期产生的累计电量随着 COD 浓度的增加而呈类线性升高， 由 COD=1325mg/L 时， MFC 产生的电量为 9.5C， 逐渐增大 COD 浓度到 9020mg/L，其对应的累计产生电量为 44.1C。可见是 MFC 产生电子和质子的来源，其浓度直接关系到电子的产生和回收率。 Kim[9]等研 究 表 明 COD 浓 度 过 大 时，MFC 系统产电能力有一个极值， 过大的 COD 负荷会抑制 产 电 微 生 物 活性 ， 本 实 验 中 原 水 COD 浓 度 达 到 9000mg/L，仍然没有超过这一极值， 可见，双室 MFC 系统能够处理较高浓度废水。
2.2 养 猪 废 水 pH 值对 MFC 运行性能影响微生物燃料电池中存在多种产电菌种， 其各自的最佳 pH 值不同，而且产电能力差异很大，所以 pH 值变化对 MFC 产电性能影响很大。 pH 值过大或者过小将影响微生物的代谢活动，从而影响 MFC 输出电能。本实验通过酸、 碱调节养猪废水 pH 值， 探究优化的 MFC 运行 pH 值。 如图 3 所示，不同 pH 值 MFC 输出电压随着时间变化而变化， 废水 pH 值越高，3 组 MFC 输出电压越高。 当 pH=6.5，输出电压 282mV，0～24h，输出电压持续平稳下降到 104mV，这主要是 pH 过低，微生物生化活性收到抑制， 导致降解 COD 能力下降，产电能力平稳下 降 。 当 pH 分 别 为 8.4 和 10.2 时，输 出 电压 分 别 提 高 到 366mV 和 450mV，可见微生物活性提高。微生物降解作用导致 COD 浓度下降 ，14h 后 ，COD 浓 度不能满足 MFC 微生物产电所需， 导致其输出电压分别下降到 112mV 和 125mV。
2.3 电导率对 MFC 去除 COD 能力影响电解质离子可以加快电子和质子的迁移速度，减少电池的欧姆阻力，从而提高 MFC 的输出电压。 本实验采用 NaCl 溶液调节养猪废水电导率， 考察电导率对 MFC 处理养猪废水效能研究。如表 2 所示， 通过投加 NaCl 溶液，3 组 MFC 的电导率分 别 是 3800μs/cm，7290μs/cm 和 10280μs/cm，COD 浓 度 都是 1300mg/L。 3 组 MFC 在 24h 运行结束后，其出水 COD 分别是 492mg/L，428mg/L 和 318mg/L。 可见进水电导率越大，出水 COD 浓度越低，COD 去除率也越高。 Liu[11]等在 MFC 投加 100mg/L NaCl 溶 液 后，MFC 功 率 密 度 从 720mW/m2 提 升到 1330mW/m2 ，但是进一步提高 NaCl 投加浓度到 280mmol/L 时，MFC 功率密度反而下降，他们认为过高的盐度多只微生物生长受到抑制，从而导致 MFC 性能降低，本实验养猪废水电 导 率 从 3800μs/cm 提 高 到 7290μs/cm，COD 去 除 率 从 61.6%提高到 67.0%， 继续提高到 10280μs/cm 时，COD 去除率仍然有 68.4%的去除率，可见，双室 MFC 能够适应较高盐分的废水处理。
参考文献
1 Logan B E，Regan J M.Microbial fuel cells-challenges and applications.Environ.Sci.Tecnol，2006，40(17)
2 于德爽，李津，陆婕.MBR 工艺处理含盐污水的试验研究.中国给水排水，2008，24(3)
3 尤世界，赵庆良，姜珺秋.废水同步生物处理与生物燃料电池发电研究.环境科学，2006，27(9)
《微生物燃料电池处理养猪废水实验研究》来源：《能源与环境》，作者：周钺。
