微生物燃料電池在含酚廢水處理中的應(yīng)用

劉嘉潤(rùn)　何怡靜　喬宇　石玉青　梁杰

摘要：近年來(lái)，工業(yè)化的快速發(fā)展所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題受到了廣泛的關(guān)注.含酚廢水作為造紙、制藥、石油化工等工業(yè)生產(chǎn)的主要有機(jī)污染物廢水，具有毒性大和生化降解難的特點(diǎn)，亟須開(kāi)發(fā)一些能夠?qū)ζ溥M(jìn)行高效降解的廢水處理工藝.文章著重介紹了微生物燃料電池（MFC ）的技術(shù)原理、處理含酚廢水中的應(yīng)用及影響其性能的幾個(gè)因素，并指出了未來(lái) MFC 技術(shù)的研究方向.

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池（MFC ）；含酚廢水；污染物；降解；廢水處理

中圖分類號(hào)：O 69? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：1000-5137（2023）01-0110-08

Application of microbial fuel cell in phenol containing wastewater treatment

LIU Jiarun，HE? Yijing，QIAO? Yu，SHI Yuqing，LIANG Jie*

（College of Chemistry and Materials Science，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）

Abstract：In recent years，the environmental problems brought by the rapid development of industrialization have attracted extensive attention. Phenol containing wastewater is the main organic pollutant wastewater in papermaking，pharmaceutical， petrochemical and other industrial productions. Due to its high toxicity and difficult biodegradation，it is urgent to develop some wastewater treatment processes that can degrade it efficiently . This paper focuses on the principle of microbial fuel cell（ MFC ） technology，its application in the treatment of phenol containing wastewater and several factors affecting its performance，and points out the research direction of MFC technology in the future .

Key words：microbial fuel cell（ MFC ）；phenol containing wastewater；pollutant；degradation；wastewater treatment

1 含酚廢水的來(lái)源與危害

1.1 含酚廢水的主要來(lái)源

隨著我國(guó)工業(yè)的飛速發(fā)展，我們的生活變得越來(lái)越便利.然而，在科技改善我們生活的同時(shí)，環(huán)境問(wèn)題也引起了廣泛的關(guān)注.工業(yè)生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量工業(yè)廢水，無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物排入水中導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題層出不窮.苯酚及其衍生物是工業(yè)廢水中最常見(jiàn)的有機(jī)污染物[1].其廣泛存在于石油化工、制藥、煉油造紙、塑料和木制品等各個(gè)行業(yè)的廢水中[2].據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年，在我國(guó)工業(yè)行業(yè)中，化學(xué)需氧量（COD ）排放量排名前列的行業(yè)為紡織業(yè)、化學(xué)原料和化學(xué)制品制造業(yè)、農(nóng)副食品加工業(yè)、造紙和紙制品業(yè).僅紡織業(yè)、造紙和紙制品業(yè)就約占工業(yè)行業(yè) COD 排放量的1/4，可見(jiàn)苯酚及酚類化合物在工業(yè)廢水中占有較大比重.

1.2 含酚廢水的危害

苯酚及其衍生物是一種有毒污染物，可通過(guò)植物吸收和富集進(jìn)入食物鏈，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中許多物種的長(zhǎng)期生存和人類健康造成嚴(yán)重影響[3].即使在低濃度下，其對(duì)人類與水生生物也有較大傷害.尤其是這些化合物不僅對(duì)人體的皮膚有很強(qiáng)的腐蝕作用，而且對(duì)呼吸系統(tǒng)、肝臟和腎臟都會(huì)有一定的損害[4].其有害影響涉及急性毒性、組織病理學(xué)變化、致突變性和致癌性等[5].美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA ）將苯酚列為優(yōu)先污染物，規(guī)定飲用水中，苯酚的量短時(shí)間內(nèi)應(yīng)低于6 mg·L-1，永久低于2 mg ·L-1.中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部將苯酚設(shè)計(jì)為排放前必須去除的重點(diǎn)污染物，根據(jù)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996），揮發(fā)酚類廢水一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)小于20 mg·L-1[6].可見(jiàn)，開(kāi)發(fā)有效的方法來(lái)降解廢水中的酚類化合物對(duì)于保護(hù)公眾的健康具有重要的意義.

2 含酚廢水的傳統(tǒng)處理技術(shù)

2.1 物理法

物理法是通過(guò)萃取法、吸附法等物理的方法處理水中的酚，與其他方法相比，物理法來(lái)源廣泛、應(yīng)用范圍廣和工藝簡(jiǎn)單，是一種簡(jiǎn)便易行的處理方法.但物理法僅改變污染物在廢水中的存在狀態(tài)，并不能完全降解目標(biāo)污染物.LI 等[7]以甲基異丁基酮（MIBK ）為萃取劑，分別對(duì)苯酚和鄰甲基苯酚進(jìn)行萃取.通過(guò)改變酚類溶液的濃度，調(diào)節(jié)不同的萃取溫度，考察了酚類濃度和萃取溫度對(duì)萃取的影響.結(jié)果表明， MIBK 對(duì)苯酚及鄰甲酚都有較好的萃取性能，在室溫平衡的情況下，油相中的酚類濃度會(huì)隨水相濃度呈線性增加.經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，溫度對(duì)酚類萃取性能的影響較大，隨萃取溫度的增加，MIBK 對(duì)苯酚和鄰甲酚的分配系數(shù)都有明顯下降.YAO 等[8]首次成功構(gòu)建了熱分離磁性離子液體水相兩相系統(tǒng)（MILATPS ），并將其應(yīng)用于從水溶液中提取和回收苯酚、鄰甲酚和間甲酚，取得較好性能.對(duì)熱分離磁性離子液體（MIL ）用量、酚類化合物溶解水的 pH 值等影響提取效率的條件進(jìn)行優(yōu)化后，提取效率均能高于90%.后續(xù)又研究了簡(jiǎn)便方法回收高純度 MIL 和酚類化合物，對(duì)經(jīng)回收后的材料進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，仍具有較好的性能，在萃取-回收過(guò)程和含酚廢水的工業(yè)處理中顯示出了巨大的潛力.GUO 等[9]證明了一種具有固有微孔性的可溶性有機(jī)聚合物，利用其比表面積更高、溶劑選擇性溶解度更好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)苯酚的吸附能力與當(dāng)今先進(jìn)的固體吸附劑相當(dāng)，并開(kāi)發(fā)了一種溶解分離-沉淀（DSP ）策略來(lái)再生吸附劑和克服結(jié)垢問(wèn)題，為吸附劑設(shè)計(jì)提供了新的概念.

2.2 化學(xué)法

化學(xué)法是在一定條件下通過(guò)使酚類化合物與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而形成易于降解的小分子.化學(xué)法主要包括光催化、電催化、臭氧氧化等.化學(xué)法近年來(lái)發(fā)展迅速，電化學(xué)法具有適用范圍廣和無(wú)選擇性的特點(diǎn)，化學(xué)氧化法反應(yīng)迅速、毒性低，被廣泛應(yīng)用于難生化降解廢水中.但電化學(xué)法對(duì)設(shè)備要求較高，降解成本也較高，傳統(tǒng)的化學(xué)氧化法也難以降解高濃度廢水，限制了其在高濃度廢水處理方面的應(yīng)用.JOTHINATHAN 等[10]制備了一種新型雙金屬（鐵、錳）摻雜粉狀活性炭（PAC ）顆粒（Fe-Mn/PAC ），作為臭氧氧化含酚廢水的臭氧催化劑，可將1 h COD 和苯酚的去除率提高到79%和95%.在提高降解效率的同時(shí)，大大降低臭氧的使用量，且具有良好的穩(wěn)定性.BAN 等[11]通過(guò)將伽馬-氧化鋁（γ-Al2 O3）負(fù)載的氮-釩（N-V ）共摻雜二氧化鈦（TiO2）催化劑，使其作為粒子電極，研究采用可見(jiàn)光輔助電催化處理模擬含酚廢水，且研究了影響可見(jiàn)光輔助電催化處理苯酚廢水降解的因素及其相互作用.結(jié)果表明，該粒子電極在可見(jiàn)光輔助電催化中表現(xiàn)出良好的催化性能，對(duì)該方法處理苯酚廢水的降解效果影響因素從大到小依次為：pH 值，電極間距，電解液濃度.LIU 等[12]采用臭氧-高鐵酸鉀聯(lián)合氧化的方法處理含酚廢水，并與單獨(dú)使用臭氧或高鐵酸鉀處理含酚廢水的效果進(jìn)行比較.結(jié)果表明，在最佳條件下，臭氧單獨(dú)處理100 mg·L-1苯酚廢水的去除率為89.6%，而臭氧-高鐵酸鉀聯(lián)合處理同濃度苯酚廢水的去除率提高到了98.6%.聯(lián)合處理比使用單一方法有更優(yōu)異的降解效果.

2.3 生物法

生物法主要通過(guò)微生物代謝作用來(lái)處理污染物質(zhì).例如，好氧微生物將酚類物質(zhì)進(jìn)行消化和分解，達(dá)到微生物新陳代謝的機(jī)理.生物法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)酚類的無(wú)毒分解，但其缺點(diǎn)為抗負(fù)荷沖擊能力較差，也無(wú)法對(duì)高濃度酚類廢水進(jìn)行有效降解.由于酚類廢水是難生化降解廢水，對(duì)微生物有毒害作用，近年來(lái)常使用生物法與其他方法相組合的工藝降解含酚廢水.ELY 等[13]評(píng)估了某生物精煉廠廢水使用辣根過(guò)氧化物酶（HRP ）和 Fenton 法通過(guò)酶的生物轉(zhuǎn)化的效果，發(fā)現(xiàn)在 pH=7、酶活性為0.8 U·mL-1和過(guò)氧化氫濃度為1.61 g·L-1時(shí)，酶促苯酚的轉(zhuǎn)化率為97.5%.再使用 Fenton 法進(jìn)一步處理剩余苯酚，得到廢水中剩余苯酚濃度為0.11 mg ·L-1.因此，HRP 與 Fenton 相結(jié)合的方法可被視為生物煉油廠處理廢水的新方法. ZHONG 等[14]制備了殼聚糖/有機(jī)累托石（CTS/OREC ）復(fù)合材料，將多酚氧化酶（PPO ）通過(guò)物理吸附（ APPO ）和共價(jià)結(jié)合（CPPO ）2種方法固定在 CTS/OREC 上.用田口法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果后得出：APPO 酶活性高于 CPPO，而 CPPO 酶載量高于 APPO. APPO 對(duì)酚類的去除效率高于 CPPO，其在2 h 內(nèi)對(duì)苯酚、4-氯苯酚和2，4-二氯苯酚的去除率分別可以達(dá)到（69.3±4.2）%，（89.8±2.5）%和（93.8±1.7）%.且連續(xù)實(shí)驗(yàn)10次以后，2種 PPO 仍具有較高的去除效率.該方法為 PPO 的固定化提供了一種新的載體，固定化的 PPO 在廢水處理中具有巨大的潛力.

3 微生物燃料電池（MFC ）技術(shù)

3.1? MFC

MFC 是一種利用產(chǎn)電的微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，為可再生的能源生產(chǎn)與廢水處理提供了一種新途徑[15-16].“動(dòng)物電”的概念最早可以追溯到18世紀(jì)，由 GALVANI 試驗(yàn)青蛙腿在肌肉運(yùn)動(dòng)中的電力.而利用微生物來(lái)發(fā)電的想法最初是在1911年由 POTTER 提出.他將鉑電極放入酵母或大腸桿菌的培養(yǎng)物中，并提出了可能會(huì)產(chǎn)生電位差[17-19].DAVIS 等[20]進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出能夠產(chǎn)生超過(guò)35 V 電勢(shì)的 MFC.由于早期科學(xué)技術(shù)和環(huán)境的限制，MFC 技術(shù)并未獲得很大的關(guān)注.在沉寂了一段時(shí)間后，到20世紀(jì)50年代，美國(guó)科學(xué)家們利用宇航員的生活垃圾作為 MFC 的原料，研究顯示出 MFC 的實(shí)用性，從而引起了人們的興趣[21].20世紀(jì)80年代，隨著電子介體的引入，MFC 的輸出電能得到了大大的提升， MFC 近些年來(lái)發(fā)展迅速.在1991年，RABAEY 等[22-23]提出了用于處理生活廢水的 MFC. MFC 作為一種新型電化學(xué)技術(shù)，不僅能夠有效降解污染物，同時(shí)還能在無(wú)需外部能量攝入的情況下產(chǎn)出電能，無(wú)污染且操作條件溫和、簡(jiǎn)單，逐漸成為水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，具有較大發(fā)展?jié)摿?

3.2? MFC 原理

MFC 技術(shù)的產(chǎn)電基礎(chǔ)是氧化還原反應(yīng).MFC 裝置主要是由陽(yáng)極室、離子交換膜、陰極室組成.陽(yáng)極室與陰極室分別含有陽(yáng)極與陰極.陽(yáng)極與陰極通過(guò)外電路相連.兩室可以通過(guò)質(zhì)子交換膜（PEM ）隔開(kāi).陽(yáng)極室里的溶液介質(zhì)，可以是有機(jī)污染物，為陽(yáng)極室里的微生物提供電子供體來(lái)源.微生物在陽(yáng)極厭氧環(huán)境下氧化有機(jī)污染物，產(chǎn)生電子和質(zhì)子.電子通過(guò)連接2個(gè)電極的導(dǎo)線傳輸至陰極.質(zhì)子則通過(guò) PEM 從陽(yáng)極物理遷移到陰極，形成水、甲烷或乙醇等生物燃料[24-25].MFC 是一種復(fù)合體系，其既有厭氧處理的工藝，也有好氧處理的特點(diǎn).正是由于 MFC 工藝的特殊性，使 MFC 技術(shù)在水處理方面有了更大的應(yīng)用前景.

4 MFC 技術(shù)在廢水處理方面的應(yīng)用

4.1? MFC 處理含酚廢水

20世紀(jì)90年代起，MFC 在處理含酚廢水方面的技術(shù)得到了不少學(xué)者的青睞.BUITR?N 等[26]用含苯酚廢水作為單室 MFC 的陽(yáng)極燃料，評(píng)價(jià)其性能，并評(píng)估苯酚含量對(duì)于 MFC 產(chǎn)電能力的影響.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在單室 MFC 中，對(duì)苯酚有較高的去除效率，且苯酚濃度的增加（最高至200 mg·L-1）并不會(huì)影響 MFC 的發(fā)電能力.苯酚濃度增加時(shí)，陽(yáng)極中的微生物多樣性仍能保持相對(duì)穩(wěn)定，從而保持良好的降解率.DING 等[27]將苯酚化合物作為陽(yáng)極室的底物，厭氧微生物為陽(yáng)極催化劑，鈦基二氧化鉛電極為陰極來(lái)構(gòu)建 MFC，通過(guò)降解苯酚廢水，同時(shí)產(chǎn)出電能.結(jié)果表明，MFC 能有效降解苯酚廢水，對(duì)條件進(jìn)行優(yōu)化后，得出在苯酚濃度為0.15 g·L-1，溫度為35℃條件下，去除效率達(dá)到了99.63%. LUO 等[28]成功地使以苯酚作為燃料的雙室 MFC 發(fā)電，發(fā)現(xiàn)使用400 mg·L-1苯酚作為唯一燃料時(shí)，MFC 的降解率比開(kāi)路時(shí)提高約15%.并進(jìn)一步對(duì)比苯酚作為唯一燃料或者苯酚-葡萄糖混合物作為燃料時(shí) MFC 的發(fā)電性能，結(jié)果表明，苯酚-葡萄糖混合物作為燃料時(shí)，MFC 最大功率密度遠(yuǎn)高于苯酚作為唯一燃料，且兩者的苯酚降解效率都能在60 min 內(nèi)達(dá)到95%以上.

4.2 影響 MFC 性能的因素

隨著 MFC 技術(shù)被證明能有效降解含酚廢水，近些年學(xué)者們開(kāi)始研究不同的實(shí)驗(yàn)條件對(duì)含酚廢水降解效果的影響，旨在提高 MFC 的降解效率，同時(shí)使其能夠具有較好的產(chǎn)電能力.

4.2.1 微生物

在 MFC 中，微生物的主要作用是分解有機(jī)物，產(chǎn)生電子與質(zhì)子，通過(guò)電子傳遞機(jī)制將電子傳遞至電極上.微生物的活性很大程度上決定了 MFC 的產(chǎn)電性能與降解效果.

FAN 等[29]以厭氧污泥作為初始接種體，構(gòu)建單室 MFC，考察梯度馴化、直接馴化和間接馴化3種不同的馴化方式對(duì)苯酚降解效果與產(chǎn)電性能的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MFC 在產(chǎn)電的同時(shí)，也能加速苯酚的降解.通過(guò)比較，梯度馴化相較于其他2種馴化方式，具有更高的產(chǎn)電性能與降解效率.KHAN 等[30]研究了雙室 MFC 中混合微生物培養(yǎng)對(duì)2，4，6-三氯苯酚（TCP ）的生物降解.將 TCP 在2個(gè)相同的雙室 MFC（ MFC-A 和 MFC-B ）的陽(yáng)極室與陰極室中分別用厭氧和好氧條件進(jìn)行微生物電化學(xué)處理.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì) TCP 進(jìn)行生物陰極處理的 MFC-B 比用生物陽(yáng)極處理的 MFC-A 具有更高的功率密度、庫(kù)侖效率和降解效果.同時(shí)，用循環(huán)伏安圖證明生物陰極在處理 MFC-B 中氯苯酚時(shí)具有更好的電化學(xué)活性.SUN 等[31]以焦木液作為空氣陰極 MFC 的燃料.在最佳條件下獲得1.94 A·m-2的最大電流密度、28%的庫(kù)侖效率和84%的苯酚去除率.通過(guò)分析陽(yáng)極生物膜的微生物群落特征發(fā)現(xiàn)，在1 g COD ·L-1的環(huán)境下，典型電生細(xì)菌Geobacter的相對(duì)豐度最高，為33%；其次是Sphaerochaeta和 Clostridium，分別為6%和4%.這些功能性微生物的相互作用對(duì)焦木液的降解與電流產(chǎn)生有著巨大貢獻(xiàn).

4.2.2 電極

電極分為陽(yáng)極與陰極.陽(yáng)極與微生物和目標(biāo)廢水直接接觸，起傳遞電子的作用.因此，陽(yáng)極材料需要有良好的導(dǎo)電性、耐腐蝕性等.陰極的主要作用是吸附氧氣，進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，陰極對(duì) MFC 的產(chǎn)電性能具有較大影響.陰極材料需要對(duì)氧氣具有較好的吸附能力，加快氧化還原反應(yīng)，提高產(chǎn)電性能.

LIU 等[32]開(kāi)發(fā)了與碳納米管（CNT ）集成的α-氧化鐵（α-Fe2 O3）納米纖維，制備多孔α-Fe2 O3納米纖維結(jié)合 CNT 作為陽(yáng)極來(lái)提高燃料電池的生物發(fā)電能力.結(jié)果表明，以CNTs/α-Fe2 O3納米纖維為陽(yáng)極的 MFC 的功率密度與 COD 的去除效率分別達(dá)到了1959 mW·m-2和85.04%，優(yōu)于α-Fe2 O3陽(yáng)極的940 mW·m-2和81.66%，以及碳纖維布陽(yáng)極的432 mW·m-2和65.83%.同時(shí)發(fā)現(xiàn)，CNTs/α-Fe2 O3改性陽(yáng)極有利于點(diǎn)活性細(xì)菌的附著，從而提高生物電性能.YANG 等[33]設(shè)計(jì)了微氧生物陽(yáng)極（RMO ）來(lái)確定將氧氣引入陽(yáng)極室對(duì)電力輸出與苯酚降解的影響.通過(guò)與厭氧生物陽(yáng)極（RAN ）相比，RMO 的苯酚降解效率提高了6倍，發(fā)電量提高了4倍，而庫(kù)侖效率下降了26.9%. RMO 在燃料電池中表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能. ZIAEDINI 等[34]對(duì)于700 mg·L-1的苯酚，在不使用任何共基質(zhì)的情況下，使空氣陰極和生物陰極都達(dá)到最高功率，分別為25 mW·m-2和5 mW·m-2，對(duì)苯酚的去除率都達(dá)到了71.8%，并證實(shí)了空氣陰極電極在氧還原反應(yīng)中具有更高的性能.

4.2.3 構(gòu)造與膜材料

MFC 反應(yīng)器構(gòu)造一般分為雙室型與單室型兩大類，兩者最顯著的區(qū)別是有無(wú) PEM.單室型 MFC 反應(yīng)器配置簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本較低，但是容易導(dǎo)致從陰極擴(kuò)散至陽(yáng)極，造成庫(kù)侖效率低的問(wèn)題.雙室型因其具有 PEM，具有良好的穩(wěn)定性，但由于陰極與陽(yáng)極之間距離過(guò)長(zhǎng)，電阻相對(duì)較大，導(dǎo)致產(chǎn)電效率過(guò)低.PEM 是分隔陰陽(yáng)兩極的材料，能有效阻擋其他離子在兩室之間轉(zhuǎn)移，能確保庫(kù)侖效率.因此，PEM 需要具有良好的傳導(dǎo)性與防污能力.

LI 等[35]構(gòu)建了雙管顆粒污泥 MFC，以石墨纖維為陽(yáng)極，碳纖維布為陰極，研究 MFC降解偶氮染料的性能.經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其雙管 MFC 的陽(yáng)極（偶氮染料的降解率為85.56%）對(duì)染料的脫色性能高于陰極（偶氮染料的降解率為14.16%）.WANG 等[36]首次將硅橡膠膜（SRM ）引入 MFC 用于被動(dòng)供氧，能夠同時(shí)去除合成焦?fàn)t廢水中的苯酚和氮，且氧氣傳輸提高了18倍.MFC 處理焦?fàn)t廢水的最大功率密度達(dá)到54 mW·m-2，庫(kù)侖效率為2.7%. RAYCHAUDHURI 等[37]將二氧化硅改性黏土陶瓷隔板應(yīng)用于燃料電池中，嘗試開(kāi)發(fā)一種低成本高效的燃料電池.與未改性的膜相比，含有二氧化硅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%）的膜性能更佳.在相同條件下，含有二氧化硅膜（30%）的燃料電池比含有未改性膜的燃料電池在功率密度與庫(kù)侖效率上，均有60.4%和48.5%的提升.在 COD 和苯酚去除效率方面，分別達(dá)到了76.2%和58.2%.結(jié)果表明，用改性陶瓷隔板的 MFC 表現(xiàn)出更高的發(fā)電量與污染物去除率，改善了質(zhì)子傳輸性能.WU 等[38]以自制的磺化聚醚醚酮作為 PEM 來(lái)構(gòu)建兩室 MFC，用于處理苯酚/丙酮廢水，研究其性能.經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)運(yùn)行周期的發(fā)電時(shí)間為289 h，最大輸出電壓達(dá)到250 mV.在降解污染物方面也有較好的性能，在苯酚濃度低于50 mg·L-1，丙酮濃度低于100 mg·L-1時(shí)，能夠完全降解污染物.為 MFC 技術(shù)提供一種經(jīng)濟(jì)且廉價(jià)的膜材料.

4.2.4 與其他工藝聯(lián)合

單獨(dú)的 MFC 工藝對(duì)一些復(fù)雜廢水，存在處理效果差、產(chǎn)電效率降低的問(wèn)題.將 MFC 工藝與其他工藝聯(lián)合作用，能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)降解效率和產(chǎn)電能力.

YANG 等[39]將 MFC 與吸附工藝相結(jié)合，將 MFC 產(chǎn)生的電能運(yùn)用于電吸附中，在吸附苯酚的同時(shí)，處理人工廢水.經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)100 mg·L-1苯酚的吸附量達(dá)到1.70 mmol ·g-1，比傳統(tǒng)吸附效率提高41.7%，接近需要外部電源供電的電吸附（1.81 mmol ·g-1）.同時(shí)，可去除73.3%以上的 COD. WANG 等[40]提出了一種耦合的光催化-生電陽(yáng)極，將光催化和 MFC 技術(shù)相結(jié)合，協(xié)同降解 TCP.結(jié)果表明，光催化-MFC 技術(shù)在10 h 內(nèi)對(duì)200 mg·L-1的 TCP 的去除率達(dá)到79.3%，高于單獨(dú)的 MFC 技術(shù)的66.0%和單獨(dú)光催化的56.1%.光催化與 MFC 技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)化了微生物種群并形成協(xié)同去除有機(jī)物的效果.HOU 等[41]將 MFC 與膜生物反應(yīng)器（MBR）耦合降解苯酚，并在開(kāi)路與閉路的條件下，研究耦合系統(tǒng)的降解能力.結(jié)果表明，閉路耦合系統(tǒng)對(duì)苯酚與 COD 的降解率高于開(kāi)路耦合系統(tǒng).SAKET 等[42]開(kāi)發(fā)了一種新型的人工濕地與MFC結(jié)合工藝，增強(qiáng)染料的降解與發(fā)電性能.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于目標(biāo)污染物剛果紅染料，該系統(tǒng)在（50±10） mg ·L-1和（750±50）mg·L-1的初始濃度下，分別表現(xiàn)出（89.99±0.04）%的脫色能力與（95.80±0.71）%的COD 去除效果.在發(fā)電性能方面，實(shí)現(xiàn)了235.94 mW·m-3和1176.4 mA·m-3的功率密度和電流密度.結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)染料脫色能力與發(fā)電性能.

5 總結(jié)

含酚廢水作為一種難生化降解的廢水，隨意排放將對(duì)環(huán)境造成巨大傷害，并且也會(huì)影響人類的身體健康.因此，需要高效且經(jīng)濟(jì)的降解工藝.傳統(tǒng)處理技術(shù)雖然操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛，但其對(duì)設(shè)備的要求較高、耗能較大，并且對(duì)一些高濃度含酚廢水的降解效果不理想.MFC 由于在降解的同時(shí)還有產(chǎn)能的特點(diǎn)，引起了廣泛的關(guān)注，近些年發(fā)展迅速，通過(guò)進(jìn)一步的深入研究，如果能提高降解效果和產(chǎn)電效率，不僅能降低廢水中酚類化合物的濃度，還能解決一部分能源問(wèn)題.通過(guò)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明 MFC 具有降解含酚廢水的能力，處理高濃度的含酚廢水與提高 MFC 的發(fā)電性能是未來(lái) MFC 工藝需要進(jìn)一步研究的方向.1）在微生物方面：需要研究一種使微生物富集的馴化方法，篩選更優(yōu)的產(chǎn)電菌種.2）在電極方面：改善陽(yáng)極材料有利于生物膜的形成，形成更好的傳電效率，例如多孔納米材料有更好的吸附效果；改善陰極有利于氧氣與質(zhì)子的傳輸，提升產(chǎn)電能力.3）目前較昂貴的膜材料制約著 MFC 的發(fā)展，需要一種低成本且有高傳輸能力的質(zhì)子傳輸膜.4）隨著 MFC 技術(shù)的深入探究，越來(lái)越多的工藝與 MFC 技術(shù)相聯(lián)合，不僅能夠提升廢水的降解能力與產(chǎn)電性能，還能彌補(bǔ) MFC 本身的缺陷，為未來(lái) MFC 技術(shù)提供新的研究方向.

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