Page 210 - 《环境工程技术学报》2023年第1期

· 206 · 环境工程技术学报 第 13 卷

CW-MFC1 than CW-MFC2. Overall, adding granular activated carbon to the anode could improve the power
generation performance of the CW-MFC coupling system, but it was not conducive to the biological nitrogen
removal process.
Key words constructed wetland; microbial fuel cells; denitrification; granular activated carbon; anode

随着环境污染和能源资源匮乏的加剧，发展资 石墨颗粒引入阳极可提高耦合系统的产电性能和化
源化与能源化的污水处理工艺已成为当前污水处理 学需氧量（COD）的去除率。但有关这方面的研究还
领域关注的热点。微生物燃料电池（microbial fuel 较少，尤其是 这 2 种阳极设置方式对污水中含氮污
cell，MFC）是一种利用微生物作为生物催化剂，将有 染物净化效果及微生物群落结构的影响仍需进一步
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机物转化为电能的新型污水处理系统 。然而，目 探索。笔者构建 了 2 套 CW-MF 耦合系统，一套单
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前 MF 产电效率低且影响因素较多，限制了其在实 独以石墨毡作为阳极，另一套同时以石墨毡和活性
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际污水处理中的规模化应用。其中，阳极表面与微 炭颗粒作为阳极，探 究 2 套系统产电性能的差异以
生物之间较低的电子传递效率是导 致 MF 产电效 及对常规污染物（有机物和氨氮）的去除效果，以期
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率低的关键原因 。目前，主要 有 2 种提高阳极电子 为该耦合系统的优化设计提供参考。
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转移效率的方式 ：1）通过电化学方法处理电极或用
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1 材料与方法
官能团修饰电极来提高细菌的黏附力和阳极的比表
面积，这些官能团可以促进微生物附着在阳极上，促 1.1 CW-MF 耦合系统的构建
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进电子从微生物转移到阳极上；2）使用高比表面积 构建 了 2 套上流 式 CW-MF 耦合系统的试验
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的导电材料，如碳纳米管、石墨烯和碳化物作为阳 装置（ 图 1），记 为 CW-MFC 和 CW-MFC2。 套耦
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极，以降低阳极过电位，促进电子转移。然而，这些 合系统除阳极层设置有所不同外，其余部分均完全
材料和方法价格昂贵且复杂，阻碍了其 在 MF 中的 一致。耦合系统主体由直径 为 20 cm、 高 5 c m 的有
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实际应用。 机玻璃和直径 为 12 cm、 高 47 c m 的有机玻璃上下
近年来， 将 MF 与其他现有技术（如活性污泥 堆叠而成，从下到上依次为衬托层、阳极层、隔离
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法 、膜生物反应器 、人工湿地 等）耦合不仅可实 层、阴极及水生植物，衬托层和隔离层均由粒径为
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现电能的有效利用，同时还可以强化污染物的去除， 8～15 m m 的砾石组成，湿地种植的水生植物为美人
因此该方面的研究已成为研究者关注的热点。人工 蕉。CW-MFC 耦合系统的阳极由 宽 10 cm， 长 15
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湿地（constructed wetland，CW）是在自然湿地的基础 cm， 厚 5 m m 的石墨毡卷曲成圆柱体放置于砾石中，
上发展而来的一种生态处理工艺，由植物、填料和微 而 CW-MFC 耦合系统的阳极由同样尺寸的石墨毡
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生物组成，具有成本低、易维护且净化效果好等优 卷曲后放置于 2～4 m m 的椰壳活性炭中。 套
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势，近年来被广泛应用于污水处理领域。由于人工 CW-MF 耦合系统的阴极均采用直径 为 18 cm，厚
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湿地中好氧区和厌氧区之间存在层状的氧化还原电 度 为 5 m m 的石墨毡放置于最顶部，其中阳极和阴极
势梯度，因此可以简单地通过铜/钛金属丝连接放置 相 距 17 cm，通过钛丝 和 500 的外部电阻连接。
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于接近气-液界面好氧区和底部厌氧区的电极来构建 1.2 CW-MF 耦合系统的接种和启动
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人工湿地-微生物燃料电池（CW-MFC）耦合系统。目 在 CW-MF 耦合系统中接种来自南昌市某污
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前，CW-MF 耦合系统的阴极通常采用以石墨毡、 水处理厂的好氧活性污泥。阴极石墨毡预先浸泡在
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不锈钢网等为主的平面电极直接放置于气-液界面附 好氧活性污泥 中 48 进行微生物挂膜后再放入到耦
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近，而阳极则 有 2 种常用的设置方式：1）直接将阳极 合系统中，同时将长势均一的美人蕉（高度 约 40 cm）
放置于湿地填料层中 ；2）将上述平面电极作为集电 移栽至耦合系统中。污泥与配置的人工模拟配水
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极放置于以活性炭、石墨颗粒为代表的三维电极填 （体积比 为 30%）混合均匀后一次性加入到耦合系统
料层中，以收集更多的电子 [6,8] 。从理论上来说，平面 中，使泥水混合物和湿地中的填料、电极材料等充分
结构的电极只能为电活性细菌的附着提供有限的表 接触后再一次性排空，每周更换耦合系统内接种液，
面积，而颗粒状的三维电极在电场中可以形成带电 连续 2 周输出电压变化幅度和氨氮去除率均在
的微电极，粒子的高导电性和较大的比表面积有助 10 % 以内，则认 为 CW-MF 耦合系统驯化接种过程
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于加速传质和增强电子传递，因此，可能具有更好的 完成，此后无须向耦合系统中加入污泥。 于 202 年
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污水处理效果。例 如 Srivastav 等 的研究表明，将 6 月 3 日— 月 7 日进行接种驯化，驯化过程中植物
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