摘要 針對養豬廢水 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 值和電導率對微生物燃料電池去除養豬廢水 COD 影響。 結果表明，當 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; 調節養豬廢水 pH 為 6.5、8.4 和 10.2，NaCl 溶液控制三組實驗電導率為 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%。

　　關鍵詞 微生物燃料電池 養豬廢水 產電 廢水處理

　　1 實驗部分

　　1.1 實驗裝置實驗由 3 組 MFC 反應器組成， 每組采用雙室 MFC 構型，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 反應器輸出電壓通過數據采集卡(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據，自動保存為 txt 文檔。

　　1.2 MFC 啟動和運行設計電 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℃冰箱保存備用。 3 組 MFC 同時 啟動，采用序批式培養的方法進行微生物接種，在馴化期間，每隔 24h 更換 1 次進水溶液，如此循環，在馴化的幾個小時內數據采集卡不記錄數據，等到電壓穩定后開始記錄數據。 實驗過程中進行了 3 次平行對照，保證實驗數據可靠性。

　　1.3 分析方法實驗過程中 COD 指標采用國家標準測定方法[7];溶液 pH 值通過手提式 pH 計(FE20，梅特勒-托利多)記錄;電導率通過手提式電導率儀(DDS-307，上海雷磁)記錄;電流和電壓通過數據采集卡自動記錄， 實驗過程中 MFC 產生電量 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 的 電 壓 N;R 是 外 接 電 阻(MFC 自身電阻很小，忽略不計)/Ω[8]。

　　2 結果與討論

　　2.1 COD 濃度對 MFC 產電性能的影響 MFC 微生物馴化結束后，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電性能有著重要影響。如圖 2 所示，MFC 一個運行周期產生的累計電量隨著 COD 濃度的增加而呈類線性升高， 由 COD=1325mg/L 時， MFC 產生的電量為 9.5C， 逐漸增大 COD 濃度到 9020mg/L，其對應的累計產生電量為 44.1C。可見是 MFC 產生電子和質子的來源，其濃度直接關系到電子的產生和回收率。 Kim[9]等研 究 表 明 COD 濃 度 過 大 時，MFC 系統產電能力有一個極值， 過大的 COD 負荷會抑制 產 電 微 生 物 活性 ， 本 實 驗 中 原 水 COD 濃 度 達 到 9000mg/L，仍然沒有超過這一極值， 可見，雙室 MFC 系統能夠處理較高濃度廢水。

　　2.2 養 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電菌種， 其各自的最佳 pH 值不同，而且產電能力差異很大，所以 pH 值變化對 MFC 產電性能影響很大。 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、 堿調節養豬廢水 pH 值， 探究優化的 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 pH=6.5，輸出電壓 282mV，0～24h，輸出電壓持續平穩下降到 104mV，這主要是 pH 過低，微生物生化活性收到抑制， 導致降解 COD 能力下降，產電能力平穩下 降 。 當 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。微生物降解作用導致 COD 濃度下降 ，14h 后 ，COD 濃 度不能滿足 MFC 微生物產電所需， 導致其輸出電壓分別下降到 112mV 和 125mV。

　　2.3 電導率對 MFC 去除 COD 能力影響電解質離子可以加快電子和質子的遷移速度，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 溶液調節養豬廢水電導率， 考察電導率對 MFC 處理養豬廢水效能研究。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 運行結束后，其出水 COD 分別是 492mg/L，428mg/L 和 318mg/L。 可見進水電導率越大，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，他們認為過高的鹽度多只微生物生長受到抑制，從而導致 MFC 性能降低，本實驗養豬廢水電 導 率 從 3800μs/cm 提 高 到 7290μs/cm，COD 去 除 率 從 61.6%提高到 67.0%， 繼續提高到 10280μs/cm 時，COD 去除率仍然有 68.4%的去除率，可見，雙室 MFC 能夠適應較高鹽分的廢水處理。

　　參考文獻

　　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電研究.環境科學，2006，27(9)

　　《微生物燃料電池處理養豬廢水實驗研究》來源：《能源與環境》，作者：周鉞。