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在發電和去除污染物方面的潛力

來源：Ecological Engineering 84 (2015) 624–631

 

一、摘要內容

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

二、研究目的

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

 

設計并構建一種結構簡化、更實用的無膜CW-MFC系統。

評估該系統在批流和連續流兩種模式下的發電性能（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行參數對系統性能的影響。

 

分析系統內部的環境條件（如氧化還原電位），以理解其工作機制。

 

三、研究思路

研究采用實驗室內構建中試裝置并進行系統性測試的思路：

 

系統構建：設計一個由進水區、處理區和出水區組成的水平潛流人工濕地。在處理區，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中，使其一半埋入、一半暴露于空氣，形成MFC，無需使用質子交換膜。系統示意圖見圖1。

 

實驗運行：系統先進行超過2個月的馴化。隨后分別進行：

 

批流實驗：水力停留時間為5天，監測多個周期的電壓輸出和污染物濃度變化。

 

連續流實驗：水力停留時間為10小時，監測電壓穩定性和處理效果。

 

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

 

數據分析：測量系統產生的電壓、電流，計算功率密度；分析進出水水質；使用電極測量系統內部的氧化還原電位剖面。

 

四、測量數據及其研究意義（注明圖表來源）

研究測量了多類數據，其意義和來源如下：

 

電壓輸出時序數據：記錄了外部電路中的電壓隨時間的變化。

 

研究意義：直接反映了系統的發電能力和穩定性。數據顯示在批流模式下電壓輸出呈現周期性規律，在連續流模式下則保持穩定，證明了該系統能夠持續產生生物電能。

 

 

數據來源：批流實驗四個周期的電壓變化展示在圖2；連續流實驗的電壓穩定性展示在圖7。

 

極化與功率密度曲線數據：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的產電性能。結果顯示最大功率密度為9.6 mW/m2，最大電流密度為55 mA/m2，系統內阻為300±10Ω。這些參數是衡量MFC性能并與其它研究對比的關鍵指標。

 

數據來源：該曲線展示在圖3。

 

污染物濃度去除時序數據：測量了進出水的COD、總氮、氨氮和總磷的濃度隨時間的變化。

 

研究意義：量化了系統凈化廢水的能力。數據顯示該系統對所有目標污染物均有極高的去除率，證明了CW-MFC耦合技術在廢水處理方面的巨大潛力。

 

數據來源：這些污染物的去除動力學曲線展示在圖4a-d。

 

pH值變化數據：監測了系統運行過程中陰極附近pH值的變化。

 

研究意義：pH變化反映了電極反應的進程。數據顯示pH總體呈上升趨勢，這有助于解釋氨氮的去除機制（pH升高促進NH?揮發）。

 

數據來源：第二個運行周期的pH變化展示在圖5。

 

氧化還原電位剖面數據（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：直觀地揭示了系統內部的好氧/厭氧分區，這是MFC能夠工作的基礎。剖面確認了陰極區（上部，電位約+220 mV）和陽極區（下部，電位約-215 mV）的存在，驗證了新型陰極設計的可行性。

 

數據來源：該氧化還原電位深度剖面展示在圖6。

 

溫度與COD濃度影響數據：記錄了不同溫度和不同進水COD濃度下的最大輸出電壓及其持續時間。

 

研究意義：為系統優化運行提供了依據。結果表明，最高電壓輸出與持續時間呈反比，且較高COD濃度能支持更高、更持久的電壓輸出。

 

 

數據來源：溫度影響展示在圖8；不同COD濃度的影響展示在圖9a-c。

 

五、結論

研究得出以下核心結論：

 

技術可行性：成功構建并運行了一種新型無膜CW-MFC系統，證明了其同時實現廢水高效處理和生物發電的可行性。

優異性能：該系統表現出色，對COD、總氮、氨氮和總磷的去除率極高（COD > 90%，氮磷 > 95%），并能穩定產生電能。

設計優勢：陰極垂直插入的設計既穩固了電極，又為植物生長和大氣復氧留出了空間，簡化了系統結構。

 

運行靈活性：系統在批流和連續流模式下均能有效工作，且性能受溫度和有機物負荷影響，可通過調節運行參數來優化。

 

六、使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義詳細解讀

在本研究中，使用丹麥Unisense公司生產的氧化還原電位微電極測量的數據具有關鍵的研究意義：

 

提供了系統內部電化學環境的直接證據：Unisense微電極能夠以毫米級的分辨率原位測量濕地基質中的氧化還原電位。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系統內部成功形成MFC所需氧化還原梯度的最直接證據。沒有這種高分辨率的剖面測量，就無法確認陽極區和陰極區的實際空間位置和范圍，從而難以驗證設計理念的正確性。

驗證了新型陰極設計的有效性：本研究的核心創新在于陰極的放置方式。Unisense電極數據表明，在基質上部（陰極所在區域）確實維持了較高的氧化還原電位（+220 mV），這證實了“一半暴露于空氣”的設計有效地為陰極提供了氧氣，創造了良好的好氧環境。同時，數據也顯示在陽極區域形成了強烈的厭氧環境（-215 mV），這為產電菌的活躍提供了理想條件。

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

 

方法學上的可靠性：與傳統取樣測定法相比，Unisense微電極的原位測量避免了對脆弱濕地基質結構的破壞和化學環境的擾動，獲得了更真實、可靠的數據，確保了研究結論的準確性。

 

總而言之，Unisense氧化還原電位電極數據在本研究中扮演了 “系統診斷儀” 的角色。它不僅僅是測量一個環境參數，而是從根本上驗證了該新型CW-MFC設計概念的成功實施，將抽象的“陰陽極分區”概念轉化為具體、可量化的科學數據，為整個研究的核心論點提供了堅實可靠的實驗基礎。