Potential of novel wastewater treatment system featuring microbial fuel cell to generate electricity and remove pollutants

以微生物燃料電池為核心的新型廢水處理系統(tǒng)在發(fā)電和去除污染物方面的潛力

來源：Ecological Engineering 84 (2015) 624–631

 

一、摘要內(nèi)容

摘要指出，廢水處理和能源短缺是全球性的嚴(yán)重問題。本研究設(shè)計并測試了一種新型的無膜中試規(guī)模人工濕地-微生物燃料電池系統(tǒng)，其陰極一半垂直插入濕地基質(zhì)，一半暴露于空氣中。研究旨在評估該系統(tǒng)在不同運(yùn)行條件下的發(fā)電和污染物去除潛力。在批流實(shí)驗(yàn)中，獲得了周期性電壓，最大輸出電壓為0.588±0.01V。在連續(xù)流實(shí)驗(yàn)中，獲得了穩(wěn)定的電壓輸出。最大功率密度為9.6 mW/m2。在發(fā)電的同時，系統(tǒng)對COD、總氮、氨氮和總磷的去除率分別達(dá)到91.2%和95%至99%。研究還表明，溫度和進(jìn)水COD濃度影響系統(tǒng)的發(fā)電性能。

二、研究目的

本研究的主要目的是評估一種新型CW-MFC集成系統(tǒng)在處理廢水的同時產(chǎn)生電能的能力。具體目標(biāo)包括：

 

設(shè)計并構(gòu)建一種結(jié)構(gòu)簡化、更實(shí)用的無膜CW-MFC系統(tǒng)。

評估該系統(tǒng)在批流和連續(xù)流兩種模式下的發(fā)電性能（如電壓、功率密度）和污染物去除效率（如COD、氮、磷）。

探究溫度和水力停留時間等運(yùn)行參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

 

分析系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)境條件（如氧化還原電位），以理解其工作機(jī)制。

 

三、研究思路

研究采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)構(gòu)建中試裝置并進(jìn)行系統(tǒng)性測試的思路：

 

系統(tǒng)構(gòu)建：設(shè)計一個由進(jìn)水區(qū)、處理區(qū)和出水區(qū)組成的水平潛流人工濕地。在處理區(qū)，將石墨氈陽極水平放置于底部，將石墨氈陰極垂直插入基質(zhì)中，使其一半埋入、一半暴露于空氣，形成MFC，無需使用質(zhì)子交換膜。系統(tǒng)示意圖見圖1。

 

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行：系統(tǒng)先進(jìn)行超過2個月的馴化。隨后分別進(jìn)行：

 

批流實(shí)驗(yàn)：水力停留時間為5天，監(jiān)測多個周期的電壓輸出和污染物濃度變化。

 

連續(xù)流實(shí)驗(yàn)：水力停留時間為10小時，監(jiān)測電壓穩(wěn)定性和處理效果。

 

參數(shù)影響研究：在批流模式下，分別改變溫度（22°C, 27°C, 32°C）和進(jìn)水COD濃度（228, 456, 684 mg/L），觀察其對發(fā)電性能的影響。

 

數(shù)據(jù)分析：測量系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓、電流，計算功率密度；分析進(jìn)出水水質(zhì)；使用電極測量系統(tǒng)內(nèi)部的氧化還原電位剖面。

 

四、測量數(shù)據(jù)及其研究意義（注明圖表來源）

研究測量了多類數(shù)據(jù)，其意義和來源如下：

 

電壓輸出時序數(shù)據(jù)：記錄了外部電路中的電壓隨時間的變化。

 

研究意義：直接反映了系統(tǒng)的發(fā)電能力和穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)顯示在批流模式下電壓輸出呈現(xiàn)周期性規(guī)律，在連續(xù)流模式下則保持穩(wěn)定，證明了該系統(tǒng)能夠持續(xù)產(chǎn)生生物電能。

 

 

數(shù)據(jù)來源：批流實(shí)驗(yàn)四個周期的電壓變化展示在圖2；連續(xù)流實(shí)驗(yàn)的電壓穩(wěn)定性展示在圖7。

 

極化與功率密度曲線數(shù)據(jù)：通過改變外電阻，測量了電壓和電流，并計算了功率密度。

 

研究意義：用于評估MFC的產(chǎn)電性能。結(jié)果顯示最大功率密度為9.6 mW/m2，最大電流密度為55 mA/m2，系統(tǒng)內(nèi)阻為300±10Ω。這些參數(shù)是衡量MFC性能并與其它研究對比的關(guān)鍵指標(biāo)。

 

數(shù)據(jù)來源：該曲線展示在圖3。

 

污染物濃度去除時序數(shù)據(jù)：測量了進(jìn)出水的COD、總氮、氨氮和總磷的濃度隨時間的變化。

 

研究意義：量化了系統(tǒng)凈化廢水的能力。數(shù)據(jù)顯示該系統(tǒng)對所有目標(biāo)污染物均有極高的去除率，證明了CW-MFC耦合技術(shù)在廢水處理方面的巨大潛力。

 

數(shù)據(jù)來源：這些污染物的去除動力學(xué)曲線展示在圖4a-d。

 

pH值變化數(shù)據(jù)：監(jiān)測了系統(tǒng)運(yùn)行過程中陰極附近pH值的變化。

 

研究意義：pH變化反映了電極反應(yīng)的進(jìn)程。數(shù)據(jù)顯示pH總體呈上升趨勢，這有助于解釋氨氮的去除機(jī)制（pH升高促進(jìn)NH?揮發(fā)）。

 

數(shù)據(jù)來源：第二個運(yùn)行周期的pH變化展示在圖5。

 

氧化還原電位剖面數(shù)據(jù)（使用丹麥Unisense電極測量）：使用Unisense針式電極（直徑1000μm）測量了濕地基質(zhì)從表層到底部的氧化還原電位垂直分布。

 

研究意義：直觀地揭示了系統(tǒng)內(nèi)部的好氧/厭氧分區(qū)，這是MFC能夠工作的基礎(chǔ)。剖面確認(rèn)了陰極區(qū)（上部，電位約+220 mV）和陽極區(qū)（下部，電位約-215 mV）的存在，驗(yàn)證了新型陰極設(shè)計的可行性。

 

數(shù)據(jù)來源：該氧化還原電位深度剖面展示在圖6。

 

溫度與COD濃度影響數(shù)據(jù)：記錄了不同溫度和不同進(jìn)水COD濃度下的最大輸出電壓及其持續(xù)時間。

 

研究意義：為系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行提供了依據(jù)。結(jié)果表明，最高電壓輸出與持續(xù)時間呈反比，且較高COD濃度能支持更高、更持久的電壓輸出。

 

 

數(shù)據(jù)來源：溫度影響展示在圖8；不同COD濃度的影響展示在圖9a-c。

 

五、結(jié)論

研究得出以下核心結(jié)論：

 

技術(shù)可行性：成功構(gòu)建并運(yùn)行了一種新型無膜CW-MFC系統(tǒng)，證明了其同時實(shí)現(xiàn)廢水高效處理和生物發(fā)電的可行性。

優(yōu)異性能：該系統(tǒng)表現(xiàn)出色，對COD、總氮、氨氮和總磷的去除率極高（COD > 90%，氮磷 > 95%），并能穩(wěn)定產(chǎn)生電能。

設(shè)計優(yōu)勢：陰極垂直插入的設(shè)計既穩(wěn)固了電極，又為植物生長和大氣復(fù)氧留出了空間，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

 

運(yùn)行靈活性：系統(tǒng)在批流和連續(xù)流模式下均能有效工作，且性能受溫度和有機(jī)物負(fù)荷影響，可通過調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)來優(yōu)化。

 

六、使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義詳細(xì)解讀

在本研究中，使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的氧化還原電位微電極測量的數(shù)據(jù)具有關(guān)鍵的研究意義：

 

提供了系統(tǒng)內(nèi)部電化學(xué)環(huán)境的直接證據(jù)：Unisense微電極能夠以毫米級的分辨率原位測量濕地基質(zhì)中的氧化還原電位。圖6中清晰顯示的電位梯度（從表層約+220 mV急劇下降至深層約-215 mV）是證明該CW-MFC系統(tǒng)內(nèi)部成功形成MFC所需氧化還原梯度的最直接證據(jù)。沒有這種高分辨率的剖面測量，就無法確認(rèn)陽極區(qū)和陰極區(qū)的實(shí)際空間位置和范圍，從而難以驗(yàn)證設(shè)計理念的正確性。

驗(yàn)證了新型陰極設(shè)計的有效性：本研究的核心創(chuàng)新在于陰極的放置方式。Unisense電極數(shù)據(jù)表明，在基質(zhì)上部（陰極所在區(qū)域）確實(shí)維持了較高的氧化還原電位（+220 mV），這證實(shí)了“一半暴露于空氣”的設(shè)計有效地為陰極提供了氧氣，創(chuàng)造了良好的好氧環(huán)境。同時，數(shù)據(jù)也顯示在陽極區(qū)域形成了強(qiáng)烈的厭氧環(huán)境（-215 mV），這為產(chǎn)電菌的活躍提供了理想條件。

為理解系統(tǒng)性能提供了機(jī)理支撐：測得的陽極區(qū)電位（-215 mV）被作者指出“不夠低”，這為解釋為什么該系統(tǒng)獲得的電壓和功率密度處于中等水平提供了關(guān)鍵的機(jī)理分析依據(jù)。作者推測這可能與植物根系向陽極區(qū)釋放氧氣有關(guān)。因此，Unisense的數(shù)據(jù)不僅描述了現(xiàn)象，還引導(dǎo)了對性能限制因素的深入思考。

 

方法學(xué)上的可靠性：與傳統(tǒng)取樣測定法相比，Unisense微電極的原位測量避免了對脆弱濕地基質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞和化學(xué)環(huán)境的擾動，獲得了更真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)，確保了研究結(jié)論的準(zhǔn)確性。

 

總而言之，Unisense氧化還原電位電極數(shù)據(jù)在本研究中扮演了 “系統(tǒng)診斷儀” 的角色。它不僅僅是測量一個環(huán)境參數(shù)，而是從根本上驗(yàn)證了該新型CW-MFC設(shè)計概念的成功實(shí)施，將抽象的“陰陽極分區(qū)”概念轉(zhuǎn)化為具體、可量化的科學(xué)數(shù)據(jù)，為整個研究的核心論點(diǎn)提供了堅實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。