摘要 針對養(yǎng)豬廢水 COD 濃度大和可生化性強的特點， 建立微生物燃料電池處理養(yǎng)豬廢水， 考察微生物燃料電池對 COD 去除效果，研究不同 pH 值和電導(dǎo)率對微生物燃料電池去除養(yǎng)豬廢水 COD 影響。 結(jié)果表明，當(dāng) COD 濃度從 1325mg/L 增加到 9020mg/L， 電池輸出電量從 9.7C 增加到 44.1C; 調(diào)節(jié)養(yǎng)豬廢水 pH 為 6.5、8.4 和 10.2，NaCl 溶液控制三組實驗電導(dǎo)率為 3300μs/cm，微生物燃料電池最大輸出電壓分別為 288mV、366mV 和 450mV，COD 去除率為 58.4%、60.8%和 76.4%;pH 為 10.2，投加 NaCl 濃度分別為(0、150 和 300)mmol/L，廢水 COD 去除率分別為 61.6%、67.0 和 68.4%。

　　關(guān)鍵詞 微生物燃料電池 養(yǎng)豬廢水 產(chǎn)電 廢水處理

　　1 實驗部分

　　1.1 實驗裝置實驗由 3 組 MFC 反應(yīng)器組成， 每組采用雙室 MFC 構(gòu)型，如圖 1 所示。 2 個長方形有機玻璃電解液槽，尺寸都是 20cm×30cm×15cm，陽極材料是硝酸修飾的碳纖維布，陰極采用負(fù)載 0.25mg/cm 鉑催化劑的碳纖維布電極。 電液池中間采用有效面積 280cm2 的質(zhì)子交換膜(PEM)，使用鈦絲將電極相連接，外接電阻 1000Ω。實驗過程中， 每個 MFC 反應(yīng)器輸出電壓通過數(shù)據(jù)采集卡(PISO-813，臺灣鴻格科技有限公司)采集，并與電腦相連，利用配套采集卡軟件記錄下電壓數(shù)據(jù)，自動保存為 txt 文檔。

　　1.2 MFC 啟動和運行設(shè)計電 解 液 槽 的 污 泥取自南京市江心洲污泥濃縮池污泥，取回后將 新 鮮 的 污 泥 放 入 4℃冰箱保存?zhèn)溆谩?3 組 MFC 同時 啟動，采用序批式培養(yǎng)的方法進(jìn)行微生物接種，在馴化期間，每隔 24h 更換 1 次進(jìn)水溶液，如此循環(huán)，在馴化的幾個小時內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡不記錄數(shù)據(jù)，等到電壓穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)。 實驗過程中進(jìn)行了 3 次平行對照，保證實驗數(shù)據(jù)可靠性。

　　1.3 分析方法實驗過程中 COD 指標(biāo)采用國家標(biāo)準(zhǔn)測定方法[7];溶液 pH 值通過手提式 pH 計(FE20，梅特勒-托利多)記錄;電導(dǎo)率通過手提式電導(dǎo)率儀(DDS-307，上海雷磁)記錄;電流和電壓通過數(shù)據(jù)采集卡自動記錄， 實驗過程中 MFC 產(chǎn)生電量 Q： Q= t 乙0 Idt= t i = 0 ΣUi R (1)式(1)中，I 是電流/A;t 是單個運行周期的時間/s;ti 是單個運行 周 期 第 i 秒/s;Ui 是 第 i 秒 對 應(yīng) 的 電 壓 N;R 是 外 接 電 阻(MFC 自身電阻很小，忽略不計)/Ω[8]。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 COD 濃度對 MFC 產(chǎn)電性能的影響 MFC 微生物馴化結(jié)束后，COD 濃度處于合適范圍直接影響著微生物的生長過程，從而對微生物燃料電池產(chǎn)電性能有著重要影響。如圖 2 所示，MFC 一個運行周期產(chǎn)生的累計電量隨著 COD 濃度的增加而呈類線性升高， 由 COD=1325mg/L 時， MFC 產(chǎn)生的電量為 9.5C， 逐漸增大 COD 濃度到 9020mg/L，其對應(yīng)的累計產(chǎn)生電量為 44.1C。可見是 MFC 產(chǎn)生電子和質(zhì)子的來源，其濃度直接關(guān)系到電子的產(chǎn)生和回收率。 Kim[9]等研 究 表 明 COD 濃 度 過 大 時，MFC 系統(tǒng)產(chǎn)電能力有一個極值， 過大的 COD 負(fù)荷會抑制 產(chǎn) 電 微 生 物 活性 ， 本 實 驗 中 原 水 COD 濃 度 達(dá) 到 9000mg/L，仍然沒有超過這一極值， 可見，雙室 MFC 系統(tǒng)能夠處理較高濃度廢水。

　　2.2 養(yǎng) 豬 廢 水 pH 值對 MFC 運行性能影響微生物燃料電池中存在多種產(chǎn)電菌種， 其各自的最佳 pH 值不同，而且產(chǎn)電能力差異很大，所以 pH 值變化對 MFC 產(chǎn)電性能影響很大。 pH 值過大或者過小將影響微生物的代謝活動，從而影響 MFC 輸出電能。本實驗通過酸、 堿調(diào)節(jié)養(yǎng)豬廢水 pH 值， 探究優(yōu)化的 MFC 運行 pH 值。 如圖 3 所示，不同 pH 值 MFC 輸出電壓隨著時間變化而變化， 廢水 pH 值越高，3 組 MFC 輸出電壓越高。 當(dāng) pH=6.5，輸出電壓 282mV，0～24h，輸出電壓持續(xù)平穩(wěn)下降到 104mV，這主要是 pH 過低，微生物生化活性收到抑制， 導(dǎo)致降解 COD 能力下降，產(chǎn)電能力平穩(wěn)下 降 。 當(dāng) pH 分 別 為 8.4 和 10.2 時，輸 出 電壓 分 別 提 高 到 366mV 和 450mV，可見微生物活性提高。微生物降解作用導(dǎo)致 COD 濃度下降 ，14h 后 ，COD 濃 度不能滿足 MFC 微生物產(chǎn)電所需， 導(dǎo)致其輸出電壓分別下降到 112mV 和 125mV。

　　2.3 電導(dǎo)率對 MFC 去除 COD 能力影響電解質(zhì)離子可以加快電子和質(zhì)子的遷移速度，減少電池的歐姆阻力，從而提高 MFC 的輸出電壓。 本實驗采用 NaCl 溶液調(diào)節(jié)養(yǎng)豬廢水電導(dǎo)率， 考察電導(dǎo)率對 MFC 處理養(yǎng)豬廢水效能研究。如表 2 所示， 通過投加 NaCl 溶液，3 組 MFC 的電導(dǎo)率分 別 是 3800μs/cm，7290μs/cm 和 10280μs/cm，COD 濃 度 都是 1300mg/L。 3 組 MFC 在 24h 運行結(jié)束后，其出水 COD 分別是 492mg/L，428mg/L 和 318mg/L。 可見進(jìn)水電導(dǎo)率越大，出水 COD 濃度越低，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 從 720mW/m2 提 升到 1330mW/m2 ，但是進(jìn)一步提高 NaCl 投加濃度到 280mmol/L 時，MFC 功率密度反而下降，他們認(rèn)為過高的鹽度多只微生物生長受到抑制，從而導(dǎo)致 MFC 性能降低，本實驗養(yǎng)豬廢水電 導(dǎo) 率 從 3800μs/cm 提 高 到 7290μs/cm，COD 去 除 率 從 61.6%提高到 67.0%， 繼續(xù)提高到 10280μs/cm 時，COD 去除率仍然有 68.4%的去除率，可見，雙室 MFC 能夠適應(yīng)較高鹽分的廢水處理。

　　參考文獻(xiàn)

　　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，陸婕.MBR 工藝處理含鹽污水的試驗研究.中國給水排水，2008，24(3)

　　3 尤世界，趙慶良，姜珺秋.廢水同步生物處理與生物燃料電池發(fā)電研究.環(huán)境科學(xué)，2006，27(9)

　　《微生物燃料電池處理養(yǎng)豬廢水實驗研究》來源：《能源與環(huán)境》，作者：周鉞。