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李毅 胡翔 王程遠(yuǎn) 王瑞林
(北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京100029)
[摘要]設(shè)計(jì)了一個(gè)經(jīng)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(duì)葡萄糖模擬廢水的產(chǎn)電性能。試驗(yàn)采用間歇運(yùn)行的方式，主要考察了電極材料及初始COD對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)外阻為100Ω時(shí)，該電池在初始COD為1000mg/L，以石墨為電極的運(yùn)行條件下產(chǎn)電性能最好，最大電流密度為4.4mA/m2。另外，還對(duì)以水及好氧污泥作為電池陰極時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)電性能進(jìn)行了對(duì)比。通過對(duì)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(tǒng)的內(nèi)阻，從而提高電池的產(chǎn)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(jī)物質(zhì)及無(wú)機(jī)物質(zhì)氧化并產(chǎn)生電能的裝置[1]。隨著環(huán)境問題日益嚴(yán)峻以及經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對(duì)能源需求的日益增加，微生物燃料電池的研究也越來(lái)越受到人們的重視。H.Liu等[2]以城市生活污水為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)構(gòu)成的新型微生物燃料電池，實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水處理的同時(shí)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(xiàn)在國(guó)內(nèi)外大部分關(guān)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(diǎn)都圍繞著減少微生物燃料電池的內(nèi)阻，從而提高微生物燃料電池的產(chǎn)電性能[3]。傳統(tǒng)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(tǒng)的雙室微生物燃料電池的構(gòu)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(shí)現(xiàn)廢水處理和能源回收的理想模式。
基于上述觀點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)雙室微生物燃料電池，利用該電池裝置進(jìn)行產(chǎn)電實(shí)驗(yàn)研究，并通過模擬實(shí)際廢水處理工程中的具體工藝流程考察了該裝置的產(chǎn)電性能。
1.實(shí)驗(yàn)部分
1.1雙室微生物燃料電池系統(tǒng)的搭建
雙室微生物燃料電池系統(tǒng)如圖1所示，該電池由有機(jī)玻璃制成，主要由陰極室和陽(yáng)極室兩部分構(gòu)成。
在該雙室微生物燃料電池系統(tǒng)中，由恒溫磁力加熱攪拌器對(duì)陽(yáng)極室內(nèi)的混合液進(jìn)行連續(xù)攪拌，以保證營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微生物體充分混合;陰極室內(nèi)則由一小型空氣泵對(duì)內(nèi)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(yáng)兩室以質(zhì)子交換膜(Nafion117，杜邦)連接，其連接處有效面積約為13cm2。外電路負(fù)載是一可調(diào)電阻箱(ZX97E，1~1000000Ω)。該燃料電池產(chǎn)生的電壓信號(hào)由外接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(personalDaq/56)自動(dòng)收集。
1.2實(shí)驗(yàn)條件
陽(yáng)極室中的接種污泥是來(lái)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(yǎng)7d，以恢復(fù)污泥的活性并富集菌種。基質(zhì)為葡萄糖配制成的營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)備液，其pH保持在7左右[4]，COD約為1000mg/L。厭氧泥及基質(zhì)在進(jìn)入反應(yīng)器前，均需通入一定時(shí)間的氮?dú)庖匀コ渲械娜芙庋酢Ｔ谡麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過程中保持陽(yáng)極室中的厭氧狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)產(chǎn)電周期結(jié)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。整個(gè)微生物燃料電池的運(yùn)行溫度基本維持在35℃左右[5]。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，保持外路電阻不變，約為100Ω。
1.3分析項(xiàng)目與方法
COD的測(cè)定:按照GB/T11914-1989規(guī)定的方法測(cè)定。
電化學(xué)性質(zhì)的確定:電池的輸出電壓U由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)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(yàn)結(jié)果
2.1電極材料對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響
對(duì)于微生物燃料電池而言，電極材料直接關(guān)系到該電池的電子傳輸速率以及其內(nèi)阻大小，對(duì)其產(chǎn)電性能有著顯著的影響。本試驗(yàn)主要考察了兩種電極材料。一種是成本較低、機(jī)械強(qiáng)度較好的石墨。由于石墨電極的反應(yīng)表面為平面，故選用碳纖維紙(簡(jiǎn)稱為碳紙，GEFC-GDL3，北京金能)作為對(duì)比的電極材料。同傳統(tǒng)的石墨電極相比，碳紙具有體積小、質(zhì)量輕、孔隙率高等優(yōu)點(diǎn)。兩電極材料的對(duì)比實(shí)驗(yàn)都是在COD為1000mg/L、外阻為100Ω的條件下進(jìn)行的。兩者產(chǎn)電性能的比較如圖2所示。
從圖2可知，石墨電極產(chǎn)電的穩(wěn)定性優(yōu)于碳紙電極，在其后期該趨勢(shì)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(dá)到4.4mA/m2。
2.2 COD對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響
試驗(yàn)研究了在城市污水處理過程中COD對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響。依據(jù)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(chǎn)電性能。COD對(duì)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(shí)，電池的電流密度隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而增大，在運(yùn)行9h后出現(xiàn)產(chǎn)電高峰，電流密度約為1.1mA/m2。該產(chǎn)電高峰持續(xù)6h后開始逐漸下降，在運(yùn)行時(shí)間為24h左右時(shí)降為初始水平。隨著COD的增加，電池的穩(wěn)定產(chǎn)電時(shí)間及電流密度呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。當(dāng)COD為1500mg/L時(shí)，該電池的電流密度與COD為1000mg/L時(shí)無(wú)明顯的差異，穩(wěn)定在4.4mA/m2左右，穩(wěn)定產(chǎn)電時(shí)間約為90h。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，該電池對(duì)COD的去除率都穩(wěn)定在70%左右。
2.3好氧污泥作為陰極的產(chǎn)電規(guī)律
為了模擬微生物燃料電池在廢水處理過程的實(shí)際應(yīng)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(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)，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(chǎn)電性能如圖4所示。
由圖4可知，以好氧污泥反應(yīng)器作為陰極后微生物燃料電池的穩(wěn)定產(chǎn)電時(shí)間，約為40h左右，穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出電流密度為17.3mA/m2左右，是以水作為陰極時(shí)的4倍。好氧端對(duì)COD的去除率為82%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廢水處理的同時(shí)進(jìn)行電能的回收。
2.4好氧污泥作為陰極時(shí)產(chǎn)電性能提高的機(jī)理
從上面的實(shí)驗(yàn)可以看出，當(dāng)好氧污泥作為陰極時(shí)，微生物燃料電池的產(chǎn)電性能有了顯著的提高，而產(chǎn)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(tǒng)內(nèi)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(nèi)阻的大小，分別對(duì)兩者做了極化曲線分析。由歐姆定律可知，當(dāng)外路電阻與電池系統(tǒng)內(nèi)阻相等時(shí)，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(tǒng)的極化曲線，不同陰極條件下系統(tǒng)的極化曲線如圖5所示。
從圖5可知，單純以水作為陰極時(shí)系統(tǒng)的內(nèi)阻約為10000Ω，該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以好氧污泥作為陰極時(shí)的內(nèi)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(zhì)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(zhì)子的微生物，這也大大提高了質(zhì)子的傳遞效率。
3.結(jié)論
(1)雙室微生物燃料電池通過一定時(shí)間的馴化培養(yǎng)后可以獲得較穩(wěn)定的輸出電流，該生物燃料電池最佳的初始COD為1000mg/L時(shí)，在外阻為100Ω的條件下，輸出電流密度為4.4mA/m2，且對(duì)COD有較高的去除率，約為70%。
(2)對(duì)于石墨和碳紙兩種電極材料而言，石墨電極的產(chǎn)電性能以及機(jī)械強(qiáng)度較好，更適合于實(shí)際的工程應(yīng)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(tǒng)的內(nèi)阻，從而提高了電池的產(chǎn)電性能，該狀態(tài)下電池的最大輸出功率為1.94mW/m2，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廢水處理的同時(shí)回收電能。
[參考文獻(xiàn)]
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