基于生物膜分隔的MFC构建及其性能研究.pdfVIP

摘要

微生物燃料电池（microbialfuelcell,MFC）能够同步实现废水处理与能源回收，

已受到广泛关注。其中有分隔膜的双室MFC电极反应比无膜MFC稳定，更有利于长

期运行，但其推广应用受到了常规分隔膜高昂造价的限制。成本低廉的生物膜因良好

的DO与COD阻隔作用和离子交换能力，具有作为MFC分隔膜的潜力。因此，本文

选用具有氧化还原活性的功能型填料（黄铁矿和软锰矿）和化学性质稳定的普通型填

料（陶粒和聚氨酯海绵）作为挂膜载体，成功构建了基于生物膜分隔的MFC系统，通

过考察分隔膜性能、电化学性能和污染物去除特性，优选出运行性能较好的系统；然

后，进行分隔层厚度优化及填料的可再生性研究，探究不同厚度分隔膜对MFC性能的

影响，揭示功能型填料的作用机制；最后，通过与阳离子交换膜分隔的MFC（CEM-

MFC）进行对比，评估基于生物膜分隔的MFC长期运行效果和实际应用潜能。具体结

论如下：

基于不同填料生物膜分隔的MFC输出电压峰值均大于700mV，出水COD浓度均

低于30mg/L。其中，基于黄铁矿分隔的MFC（Py-MFC）启动期最短，电压输出最为

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稳定，且拥有最大的输出功率密度（25.22W/m）和库仑效率（3.07%）；基于聚氨酯

海绵分隔的MFC（PS-MFC）电化学性能仅次于Py-MFC。SEM及分隔膜传质系数和

阻隔效果的分析结果表明，生物膜致密程度可能是造成生物分隔膜性能差异的主要因

素。XPS检测结果发现，功能型填料发生了氧化还原反应，这有利于增强MFC阴阳极

室的离子交换，从而提升MFC的运行性能。高通量测序结果表明，生物分隔膜具有

COD降解能力，且变形菌门的相对丰度在微生物群落中占绝对优势，有利于质子传递。

对运行效能较好的Py-MFC和PS-MFC进行系统优化与可再生性研究，电化学性

能、脱氢酶活性及蛋白含量测试结果表明，Py-MFC和PS-MFC在分隔层厚度分别为

1.8cm和1.2cm时，阳极产电菌富集效果和生物分隔膜发育状况最好，系统产电性能

最佳。不同分隔层厚度的Py-MFC和PS-MFC欧姆内阻变化情况表明，功能型填料通

过氧化还原反应增强了分隔膜质子传递能力，可以降低生物膜增厚对欧姆内阻的影响。

填料再生后的生物分隔膜质子传递能力略低于原始分隔膜，但DO和COD阻隔能力更

优，说明基于黄铁矿或聚氨酯海绵的生物分隔膜均具有较好的可再生性。

PS-MFC、Py-MFC和CEM-MFC在90d内的运行结果表明，三组系统的COD去

除负荷无显著性差异（p0.05），但生物膜分隔MFC的TN去除能力更强。阳极室pH

下降导致各系统产电能力随着运行时间延长有所下降，相比于阳离子交换膜，生物分

隔膜可以缓解阳极的质子累积现象，有利于MFC长期稳定运行。高通量测序结果表明，

分隔膜的不同导致各系统阴极微生物群落结构出现明显差异。CEM-MFC阴极微生物

对电子的利用能力更强，这可能是其产电性能优于PS-MFC和Py-MFC的主要原因。

电能回收成本核算和出水水质风险评估结果表明，PS-MFC和Py-MFC获取单位功率密

度所需分隔膜成本始终低于CEM-MFC，且Py-MFC出水中总铁和SO42-浓度满足《地

表水环境质量标准》，无填料释放污染物的潜在风险，说明基于生物膜分隔的MFC具

有很好的实际应用潜能。

关键词：微生物燃料电池；生物分隔膜；传质能力；填料；运行效能

Abstract

Microbialfuelcell(MFC),whichcansimultaneouslyrealizewastewatertreatmentand

energyrecovery,hasattractedwideattent