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可见,MFCs实质上就是阳极室中产电微生物降解COD并产生电子与电流的过程,有效地将有机物降解和其所含能量转化(电能)合二为一。目前研究显示,阳极室电子传递途径主要有4种形式:
①产电微生物细胞与电极表面直接接触转移;
②纳米导线转移;
③电子中介体转移;
④通过产电微生物细菌生理代谢过程中产生具有还原性的代谢产物(H2、甲酸盐等)转移。前两种形式对应直接微生物燃料电池,后两种形式对应间接微生物燃料电池。
MFCs基本结构与分类
MFCs 反应器通常由三部分组成,即: 阳极、阴极 和质子交换膜。目前,MFCs分类方法尚无统一标准,普遍采用的分类方法主要有两种: 一种是根据阳极室中产电微生物的电子传递机理进行分类,另外一种是根据微生物燃料电池的构型进行分类。表1显示了各种不同分类类型的MFCs。
基于以上研究成果,可以大致估算以生活污水和以单一基质(如,葡萄糖、乙酸)为底物的MFCs能量转化效率:
①以单一基质为底物的MFCs能量转化效率取MFC最大COD去除率为90%。由于不存在其他电子受体的干扰,可以认为这90%的COD可全部参与产电过程。库伦效率取平均值70%,忽略电位损失,则以单一基质为底物的MFC能量转化效率为:90%×70%=63%。
②以实际生活污水为底物的MFCs能量转化效率根据现有研究成果,取COD平均去除率为75%,其中,约30%的COD未参与产电过程,而是以NO3-/SO42-作为电子受体发生还原反应,那么,实际参与产电过程的COD占总COD的百分比约为1×75%×30%=52.5%。库伦效率取最大值20%,则MFC将52.5%COD中贮存的能量按最大库伦效率转化能量之效率为:52.5%×20%=10.5%。
③传统厌氧消化产甲烷能量转化效率传统污水处理COD去除率可达90%,去除1 kg COD产生约0.4 kg 的剩余污泥(以COD计);剩余污泥厌氧消化产甲烷的能量转化效率平均为55%。取热电联产效率0.8,则剩余污泥传统厌氧消化产甲烷转化为电能的效率约为:55%×0.9×0.4×0.8=15.8%。
上述MFCs与传统厌氧消化能量转化效率匡算表明,MFCs只有在以单一基质为底物时方能显现出与众不同的能量转化效率,用其处理实际污水时可获得的能量转化效率还不及污水处理后所产生的剩余污泥厌氧消化产甲烷之能量转化效率。进言之,MFCs从降解COD中获得的有限能量转化效率则是以牺牲脱氮除磷所需碳源为代价的。
04 展望
作为一种仍处在研发之中的污水处理技术,MFCs理论上为污水处理及其能源化开辟了一条新途径,但是这种技术距实际工程应用仍存在着相当的距离,主要是因为其能量转化效率太低且以牺牲脱氮除磷所需碳源作为代价。以MFCs是为基础衍生而来的MECs虽以单一基质为底物时亦可获得不错的产氢效果,但其处理实际污水时制氢效率偏低,影响了实际应用价值。为使MFCs/MECs向实际污水处理工程应用方向转化,今后应从以下方面寻求突破。
①筛选产电效率更高的微生物。产电效率低、输出电压/电流不稳定是MFCs 研发中面临的最大问题。为此,筛选产电效率更高、活性更强的产电微生物尤为重要。混合菌种MFCs 显示出更强的产电效率和稳定性,是未来MFCs发展的一种趋势。
②研究产电微生物的代谢过程及电子传递机理。阳极产电微生物的代谢过程及电子传递途径是MFCs的核心。明确不同的产电微生物的代谢过程,是提高微生物活性及生物量的关键所在,而明确电子传递途径则是提高电子转移速率,进而提高 MFCs输出功率的关键所在。
③改进电极材料。电能的输出在很大程度上受阴极反应的影响。低电量输出往往由于阴极微弱的氧化还原反应能力及O2通过质子交换膜扩散至阳极而影响阳极产电微生物的活性。因此,对于阴、阳极材料的选择仍是MFCs今后研究的重点之一。
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