微生物燃料电池处理废水时的产电性能研究

本实验主要考察了在处理不同COD浓度的城市污水过程中微生物燃料电池产电性能。考虑到城市污水中COD的浓度一般不高，所以该实验主要考虑了燃料电池系统阳极（厌氧端）在COD分别为200、 400、600、800、1000、1500mg/L的情况下的产电性能。微生物燃料电池在不同COD 浓度下的输出电流密度 如图3所示。从图3中可以看出，在不同的COD浓度下，电池系统都有一定的电流产出。随着COD浓度的增加，微生物燃料电池系统的输出电流密度在不断的 增大，特别是当底物浓度从400g/L上升到1000mg/L 的时候，该系统的输出电流密度出现了急剧的增长， 电流密度从 1.6mA/m2上升到了4.5mA/m2。但是，随 着COD浓度的继续增加，底物浓度从1000mg/L上升 到1500mg/L时，增长趋势变得平缓，输出电流没有明 显的增长。该燃料电池系统在不同COD浓度下对模 拟废水中的COD都具有很好的去除效果。在整个实验过程中电池系统对COD的去除率都稳定在70%左 右。从实验结果可以看出，该电池系统对不同浓度的 城市污水都有很好的处理效果，特别是对于低浓度的 城市污水（200~400mg/L），经过微生物燃料电池系统 处理后出水的COD浓度可以达到100mg/L以下。因此，利用微生物燃料电池既能处理废水达到环境保护的要求又能回收一部分的电能。

2.3.1双室微生物燃料电池的产电规律

为了研究双室微生物燃料电池的产电规律，对上 述不同COD条件下电池的累计产电量进行分析，实 验结果如图4所示。由图4可知，当初始COD浓度为 1000mg/L时，此时微生物燃料电池的累计产电量接 近最大值，约为 26C。当初始COD低于该值时，累积 产电量随底物浓度的增加而增加，而当浓度超过这一 值时，累计产电量不再随底物浓度的增加而显著提 高。这一变化规律恰恰符合酶促反应的Monod方程， 则用该方程来描述微生物燃料电池与初始COD之间 的关系：

由图4中的非线性回归分析，可得半饱和常数 KS=1211mg/L，该微生物燃料电池的最大产电量Qmax= 27.52C。

2.3.2双室微生物燃料电池的COD降解规律

为了研究微生物燃料电池在实际废水处理过程 中应用的可行性，不仅需要考察其产电性能的高低， 该体系对废水中污染物的处理效果也是需要重点考 察的。为了分析和评价电池系统的废水处理能力，本 实验考察了电池系统针对不同COD浓度的废水处理 能力，实验结果如图5所示。

由图5可知，微生物燃料电池对于废水中COD 的降解规律符合酶促反应关于底物浓度的一级动力 学方程，拟和曲线的回归率较高。对于整个实验过程 而言，整个电池系统的运行时间保持不变约为24h。因 此，由回归方程可以得出微生物燃料电池系统对废水 中COD的降解速率常数为k=0.215h-1。

2.4好氧生物处理在微生物燃料电池系统中的应用

为了将微生物燃料电池与废水的实际处理过程 有机的结合起来，进一步考察该系统应用到实际废水 处理过程中可行性。本实验在电池系统的阴极（好氧 端）接种1000mL好氧污泥，用好氧污泥及其代谢产 物作为电子受体代替通常的空气阴极。该好氧污泥取 自北京市北小河污水处理厂的污泥回流池中，污泥沉 降性好，生物相丰富，MLSS为5.87g/L。曝气24h恢复 活性后投加1000mL葡萄糖模拟废水，COD约为 500mg/L。阴极内采用间歇式反应，水力停留时间控制 在12h左右。

好氧污泥作为阴极后微生物燃料电池的产电性 能如图6所示。好氧污泥作为阴极后，微生物燃料电 池的输出电流密度约为17.3mA/m2，大约是单纯以空 气作为阴极时的电流密度时的4倍。电池阴极（好氧 端）添加好氧污泥后，出水COD浓度约为60mg/L，好 氧端对废水中的COD去除率达到了 82%。从实验结 果可以看出，用好氧污泥代替空气作为电子受体后可 以大大提高微生物燃料电池的产电性能。同时将微生 物燃料电池的厌氧端（阳极）和好氧端（阴极）与传统 废水处理中的好氧和厌氧生物处理有机的结合起来，

达到了很理想的废水处理效果的同时也回收了一定 的电能，满足了废水处理资源化的要求。