隨著社會發展及工業化進程加快，水體污染問題日益嚴重，尤其近年來水體中過量輸入的氮、磷等營養元素導致的水體富營養化加劇了水資源危機，已嚴重影響了經濟社會發展。經過科學研究及工業實踐，多種污廢水處理技術已被開發使用，但部分污廢水處理技術能耗高、效率低。目前在污廢水處理領域，低能耗、低藥耗、安全環保的技術成為研究熱點，微生物燃料電池(microbialfuelcell,MFC)作為一種新型的生物電化學污廢水處理技術，在污廢水處理領域尤其是污水脫氮、除磷等方面顯示出巨大的潛力及應用前景，受到人們的普遍關注。
1、MFC概述
自然界中部分微生物通過生命代謝過程可以把化學能轉化為電能，MFC是把產電微生物生命代謝過程中產生的電子收集起來并利用的裝置。如圖1，在MFC中，聚集在陽極表面的一些特殊微生物在厭氧條件下可以氧化降解有機物，并產生氫質子和電子，氫質子和電子分別通過自由擴散作用和外電路電子傳遞作用到達陰極，然后和陰極表面的電子受體發生氧化還原反應，從而完成MFC產電及電子利用過程。因MFC產生的電子在陰極可以與氧氣或含硫化合物、含氮化合物等電子受體發生氧化還原反應，降解水體中的硫酸鹽、硝酸鹽等物質，實現了在回收電能的同時進行污水處理，已成為一種新型的生物污廢水處理技術。
在污廢水處理領域，相對于操作程序較復雜、費用較大的物理法或者易產生副產物、造成二次污染的化學法來說，MFC具有能量轉換效率高、原料 >
2、MFC產電能力
MFC的產電能力與電池結構、電極材料、微生物活性、電子受體類型等因素有關。產電微生物因受自身生物活性的限制及其生命活動受外界環境因素的影響，導致其分離、轉化電子的速度較慢，以至于目前研究報道中產電微生物的產電能力普遍偏低，即MFC產生的電流較小，嚴重限制了MFC的大規模推廣應用。關于MFC產電能力的研究，目前多集中在優化MFC結構、提高MFC的功率輸出及制備新電極材料等方面。史雨茹等研究了MFC在不同連接方式下的產電效率及對污水的處理能力，發現相比于單個燃料電池，電壓串、并聯及其研究中首次報道的生物量串、并聯都能使燃料電池的工作電壓有不同程度的提高，并能不同程度地提高燃料電池對有機物的降解能力。崔心水等在雙陰極三室MFC中實現了同步脫氮和產電功能，發現不合理的MFC構型會制約MFC的生物電化學過程而影響MFC的產電性能。ZHAO等通過構建不同陽極面積的多陽極沉積物MFC(sedimentmicrobialfuelcell,SMFC)，對其長期性能進行研究后發現增加陽極面積可以增大SMFC的發電量。該研究首次通過實驗證明了陽極之間的距離對SMFC功率輸出的影響有限，為MFC的發展奠定了基礎。以上研究表明，電池連接方式及構型、電極面積等因素都影響MFC的產電性能。
新材料可以改善污廢水處理中的生物反應，強化物理和化學反應，同時污水處理的資源化、能源化也要依賴于新材料。有研究者通過優化MFC的電極材料提高了MFC的產電能力。ZHONG等利用聚二烯丙基二甲基氯化銨(polydiallyl-dimethylammoniumchloride,PDDA)修飾炭氈陽極，PDDA-MFC的啟動時間只有9h，是未修飾MFC的7.5%，并且其最大輸出電壓和最大輸出功率密度分別為741mV和537.8mW/m2，比未修飾的MFC分別高75.2%和230.1%，可見對MFC電極進行修飾可以顯著提高MFC的啟動速度和產電性能。陳穩穩等在尿液MFC(urine-poweredmicrobialfuelcell,UMFC)中使用超級電容器活性炭修飾的陽極碳布，研究結果表明修飾后的UMFC的最大電壓為0.629V，是未修飾電極的1.2倍，最大功率密度是未修飾電極的1.8倍，表明使用超級電容器材料活性炭修飾MFC陽極能有效提升其整體性能。余登斌等研究了碳納米材料修飾陽極對MFC傳感器的電化學性能及水體毒性檢測靈敏度的影響，研究結果表明多壁碳納米管和導電炭黑修飾電極可以提高MFC的功率輸出。
通過相關實驗研究報道可知優化MFC的結構、修飾或改善電極材料等能在一定程度上改善MFC的產電性能，但新材料一般經濟成本偏高，導致MFC制備成本高，限制了MFC的推廣應用。筆者認為若在微生物層面設法分離、篩選出產電能力強、轉化電子速度快的微生物菌株，從微生物產電層面提高電子產生量，并通過實驗研究解析、驗證電子的傳輸機理(如圖2)而提高微生物與電極之間的電子傳遞速率，通過從本質上解決微生物產電量低、電子傳遞速率慢的問題而提高MFC的產電能力，將有助于降低MFC的制備成本并利于MFC的推廣應用。如SAMARAT等在圓形MFC中首次使用一種海水細菌并成功地把NO3-降解成N2，其研究發現所用的海水細菌能夠在MFC陽極的磷酸鹽緩沖溶液和陰極的碳酸氫鹽緩沖溶液中通過產電而降解水體內的污染物。該海水細菌的使用證明發掘產電微生物有利于提高MFC的產電能力并擴大其污水處理領域，此研究為MFC的進一步應用奠定了理論基礎。
3、MFC處理污水
2004年，美國賓夕法尼亞大學的LOGAN教授首次將MFC應用于廢水處理中，因MFC溫和的操作條件及簡單的操作過程，奠定了MFC在污廢水處理行業的地位。MFC處理污廢水的類別較廣(如表2所示)，目前研究主要集中在處理含碳、氮、磷、硫及部分難降解小分子化合物等廢水，如ZHANG等采用硫循環介導的MFC處理頁巖氣體開采過程中產生的高鹽返排水，其研究報道了陽極降解有機物的主要菌群，為利用硫化物循環介導的MFC處理含有機物和硫酸鹽的廢水提供了一種新思路。馮雅麗等利用MFC技術處理焦化廢水，一步實現水質凈化及能量回收，為廢水的生物處理控制提供了理論和實踐參考。
目前關于MFC處理污水的研究報道較多且研究比較深入的是用MFC處理含氮廢水，主要集中在研究影響污水脫氮的因素、調控脫氮效率等方面。劉若男等通過構建生物陰極雙室MFC探究溫度沖擊對MFC脫氮的影響，發現當溫度在25℃時系統的氨氮去除率達到95.71%，總氮去除率為80.46%，當溫度降至15℃后系統的脫氮性能變差，總氮去除率僅為20.82%，該研究表明溫度沖擊對MFC脫氮效果影響較大。劉若男等探究在微氧條件下曝氣量對生物陰極雙室MFC產電性能和陰極脫氮的影響，實驗結果表明在曝氣量為1.64mL/min的條件下短程硝化反硝化脫氮效果最好，其亞硝態氮積累率為81.70%，總氮去除率達到69.66%。ZHONG等通過把硫化物和硝酸鹽分別作為MFC的陽極電子供體和陰極電子受體，在一種新型的反硝化硫化物脫硫裝置中實現了回收能量的同時去除水體污染物的目的，其研究證明縮短水力停留時間或者提高溫度有利于MFC去除廢水中的污染物，為MFC未來的應用奠定了基礎。以上研究報道中MFC氧化污廢水中的碳水化合物產生電子并把含氮廢水降解為氮氣，減少了二氧化碳的排放量，且產物無二次污染物產生，說明MFC技術是一種安全、可靠、環保的污水處理途徑，具有較大的環保價值及開發潛力。
雖然國內外對MFC在污水處理的研究已取得一定的成果，為其在污廢水處理領域的應用奠定了理論基礎，但應看到目前MFC處理污廢水的效率仍有提升空間和進一步研究的價值，且關于MFC處理成分復雜的實際污廢水的研究報道相對較少，因此應繼續加強MFC應用于實際污廢水處理的研究，通過進一步優化MFC的構型、降低MFC制備成本、調控MFC運行條件并擴大MFC處理污水的范圍，以提高MFC對實際污廢水的處理效率，為其未來的工業化應用積累經驗、奠定基礎。
4、MFC工藝應用
目前的研究報道中，質子交換膜、貴金屬電極等高成本元件的使用導致MFC制備成本較高，同時產電微生物的產電能力偏低，導致MFC無法大規模工業化應用，因此關于MFC處理污廢水，目前只有實驗室規模研究的報道。就中國目前水污染治理產業的發展現狀而言，污水處理技術正處于革命時期，產業和技術融合是大勢所趨，MFC技術與污水處理產業無法有效融合主要是受限于MFC反應器規模較小，MFC反應器的放大問題已嚴重制約其工業化應用。在MFC反應器目前無法有效放大的情況下，考慮到不同污廢水具有不一樣的理化特性，筆者認為可以將MFC與其他污廢水處理工藝進行耦合聯用，通過不同污水處理工藝的優勢互補，有利于擴大MFC的應用規模及領域并實現其應用價值。目前已有部分研究報道為MFC與其他工藝的耦合聯用奠定了理論基礎，如WANG等將MFC集成到序批式反應器(sequencingbatchreactor,SBR)中，通過優化MFC和SBR模塊之間的化學需氧量(chemicaloxygendemand,COD)負載分布，增強了MFC的發電能力，該研究為MFC與SBR工藝耦合奠定了理論基礎。MFC與其他污水處理工藝耦合，除了可以提高MFC的產電能力，還可以降低污水處理過程中的污泥產量，能產生較大經濟價值，是污水廠提標改造的一種新方法。GAJARAJ等將MFC耦合到單缺氧池有內回流的前置反硝化污水脫氮工藝(modifiedLudzack-Ettinger，MLE)中，并與膜生物反應器(membranebio-reactor，MBR)工藝聯用，評估使用MFC輔助的污水處理系統的性能后發現MLE-MFC系統的平均出水COD濃度較低，其NO3--N去除率提高了(31±12)%，同時污泥產量減少了11%。因污泥處理成本占污水處理廠運行成本的30%~50%，可見MFC在污水處理行業具有巨大的價值潛力。綜上可知，MFC與其他污水處理技術聯用有助于提高污水處理效率、降低污水處理過程中產生的污泥量，具有較大工業應用潛力。
目前關于MFC與其他污水處理工藝的研究大都處于實驗室規模研究階段，距工業化應用有一定距離，因此MFC與其他工藝聯用可以作為未來的一個研究方向。將MFC與目前流行的污水處理技術如SBR工藝、厭氧好氧(anoxicoxic，A/O)工藝、MBR工藝等相融合，生物處理與電化學污水處理相融合，充分發揮不同工藝的優勢，通過進一步深入研究放大MFC反應器的規模及提高MFC污水處理效率，使MFC早日在工業上實現規模化應用，在污廢水處理領域創造經濟、社會效益。
5、總結與展望
在全球水資源日益短缺、能源危機日益嚴峻的形勢下，作為一種清潔能源技術，MFC已受到國內外眾多科研人員的關注。在MFC研究領域，為利用MFC產生的電子處理污水，可把研究重點放在產電微生物篩選培養、低成本的新電極材料修飾研發、MFC最佳運行條件的探究等方面，通過提高MFC產電能力而提高其對污廢水的處理能力。因目前研究報道中MFC規模偏小且制備成本偏高，可進行MFC與SBR、A/O、MBR等現行污廢水處理工藝耦合聯用的研究，通過MFC與不同污廢水處理工藝的聯用進一步放大MFC反應器的規模及提高MFC的污廢水處理效率，加快其工業規模化應用進程。期望通過綜述MFC的研究進展促進其應用規模擴大及提高其污廢水處理效率，進一步提高其在環境治理方面的性能，讓MFC技術為污廢水處理行業提標改造及可持續發展的能源道路添磚加瓦。( >
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