摘要：国内外对人工湿地（CW）和微生物燃料电池（MFC）的研究已经处于相对平稳的状态，在两个领域都取得了特别好的成就。在此基础上，将二者耦合起来的人工湿地微生物燃料电池（CW-MFC），由于其污水处理效果好、可产电、可持续性和环境友好型的特点，近些年关注度越来越高。本文就国内外对CW-MFC的研究进展做一个综述。
关键词：人工湿地；微生物燃料电池；耦合；污水处理；产电
1、引言
现今水质越来越差，人们在保护水资源的同时也在积极探寻污水处理水质更优、效率更高的方法。CW污水处理系统建造费用低，运行简便，湿地基质中的微生物在降解污水中的有机物同时能够产生电子，使之具备产电潜力[1]。MFC利用微生物分解有机物产生的化学能转化成电能的新型生物电化学系统。研究人员将二者结合，不止增强了废水的去污效果，而且具有产电的功能，由于其减少甲烷等气体的排放，可以有效的遏制温室效应。因此，CW-MFC具有很大的发展前景，受到了越来越多的关注。
2、CW-MFC概述
CW-MFC是新兴的一种污水处理系统，其性能优于其他MFC，污水处理量大大增多，且维护方便。由于处于起步阶段，许多技术、系统配置、运行和电力生产都面临着很大的问题。
CW-MFC工作原理是植物利用太阳能进行光合作用将二氧化碳转化为有机物，产生的有机物到达根系附近的阳极区，为MFC中的产电微生物源源不断的提供基质。[2，3]植物在阴极区的根系，形成植物-微生物-电极材料的复合生物阴极电极，利用植物根部泌氧为阴极提供还原反应电子受体。[4]CW-MFC系统中拥有人工湿地系统中天然的氧化还原电位梯度，且微生物燃料电池与人工湿地中都有利用微生物，二者有很好的相容性，因此能够很好的耦合，这样不但可以提高系统的整体污水处理效果，同时还拥有微生物燃料电池的产电性能。[5]影响人工湿地微生物燃料电池的因素有很多，像种植的植物种类，基质，水力停留时间（HRT），微生物种类，电阻，外电路等各种辅助材料等。
CW-MFC研究进展
前面对CW-MFC进行了简单的介绍，下面就参阅的有限文献对人工湿地微生物燃料电池系统（CW-MFC）做一个综述。
印度的Asheesh Kumar Yadav等第一次将CW和MFC结合。实验结果表明96h可以达到93.15%的染料去除效果，COD去除率75%。最大的功率密度和电流密度分别为15.73 mW• m−2和69.75mA •m−2。由此得出除了可再生能源发电外，对废水处理非常有益。
Shentan Liu等建立一个无膜的单室，种植空心菜，接种厌氧污泥，再设置一个无植物的对照组，对化学需氧量(COD)和总氮(TN)的去除效率进行了研究。结果显示空白对照组TN平均去除率为54.4%，COD的平均去除率为92.1%；种植空心菜的TN平均去除率为90.8%，COD的平均去除率为94.8%。种植空心菜的最大功率密度12.42mW/m2比空白对照组5.13mW/m2高142%。
Yaqian Zhao等用PVC柱建造CW-MFC模型（3.7L），系统1以成批方式操作，系统2在系统1的基础上增加一个空气扩散装置将气体向上送到阴极。实验表明通入空气对CW-MFC发电有很大的作用。
Dan Wu等人设计了一个半工业人工湿地无膜微生物燃料电池系统，最大的水力停留时间功率密度为9.6 mW / m 2和最大电流密度是55 mA / m 2。在间歇流量模式下，COD去除率为91.2%，总氮、铵态氮和总磷的清除率在95% ~ 99%之间，而CW-MFC产生的电量为99%。
Zhou Fang等研究阴极直径对CW-MFC电极性能的影响。并对其在阴极上的影响进行了研究。研究表明生物发电、ABRX3脱色、化学需氧量(COD)去除性能先升高后随阴极直径的增大而减小。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆阳极性能受阴极的影响。阴极直径为25cm的CW-MFC表现出最佳电极性能，最高电压和功率密度分别为560 mV和0.88 W/ m3。最高的ABRX3脱色和COD去除分别为271.53 mg/ L和312.17 mg/L。[10]
Junfeng Wang等就电极材料（CFF、SSM、GR、FN）进行了实验，实验结果表明，CW-MFC的生物能量输出随基质浓度的增加而增加。另外，四种不同的材料在阳极电极周围形成了显著不同的微生物群落分布。值得注意的是，这一发现表明CW-MFC利用FN阳极电极可以明显改善脱氯单胞菌的相对丰度。Junfeng Wang等还探究了灯心草、香蒲、水葱三种大型水生植物对CW-MFC产电菌产电的影响，从本研究可以得出，利用香蒲和水葱作为大植物可以显著促进CW-MFC的生物发电。有植物的与未种植的CW-MFC相比植物吸收和增强微生物的作用分别促进了COD、NO 3 - N和NH 3 - N的去除率分别为5.8%、7.2%和23.9%。在根际土壤中发现的微生物(噬纤维菌、梭状芽孢杆菌、脱氯单胞菌等)具有分解难降解污染物的能力。Junfeng Wang等还研究了基质材料尺寸和水生植物对CW-MFC生物发电、污染物清除和细菌群落分布的影响。得出有植物CW-MFC填料尺寸较大的电化学活性细菌的相对丰度显著提升（β-变形菌），这可能会导致在CW-MFC生物电产生的增加（8.91mW/m2），在有植物的cw-mfc中，发现了COD(86.7%)和NO3-N(87.1%)的最高去除效率，这与微生物的多样性有很大的关系。
Villaseñor Camacho等研究废水含盐量浓度对CW-MFC性能的影响。根据COD和VSS测量，抑制微生物在阳极区最早出现的近似盐度3 g L−1（批量实验证实）。盐度9.51 g L−1的水平湿地植物仍然没有明显损害。
Xu Lei等将MFC集成到脱水明矾污泥（DAS）为基础的垂直流人工湿地，探究不同面积比例粉末活性炭（PAC）应用于阳极对CW-MFC系统性能的影响。试验表明，PAC的夹杂物提高COD，TN和RP的去除效率，这项工作提供了另一个潜在的PAC在CW -MFC的使用与更高的废水处理效率和能量回收。
Pratiksha Srivastava等对CW-MFC系统的曝气和径向氧损失的性能进行评价。本研究探讨了利用美人蕉植物的径向氧损失(ROL)和间歇曝气(IA)的低成本阴极发展的可能性。本研究证明对CW- MFC阴极反应的过量曝气对生物发电没有显著影响，但提高了CW- MFC的污水处理性能。
结论
前面对一部分研究者各个方面的研究做了简单的介绍。研究人员通过有无植物、植物种类、电极材料、氧气的有无、水流的形式、基质尺寸、有无分隔材料、温度、含盐度、pH等对CW-MFC的影响进行实验，得出了一系列结论，成果很显著，为以后的研究提供更多的资料，明确了研究方向，奠定了一定的科研基础。
当然，CW-MFC虽然前景很好，但是却存在很多问题，像实验所用材料很昂贵，实验外部不可控因素很多，两极的分隔与否对实验结果是否有影响，怎样使CW-MFC系统最简最优化，就算实验结果很喜人但是否能最后真正投入到生产达到长期稳定运行等等。
参考文献
[1]孙瑶,赵金辉,姜成,吴梦柯,谢西,林晨彤.人工湿地-微生物燃料电池耦合系统的研究现状与展望[J].现代化工,2017,37(08):60-63.
[2]许丹,肖恩荣,徐栋,吴振斌.微生物燃料电池与人工湿地耦合系统研究进展[J].化工学报,2015,66(07):2370-2376.
[3]劳慧敏,李金页,贾玉平.植物微生物燃料电池技术的研究进展[J].科技通报,2016,32(03):189-193.
[4]王丽,李雪,王琳.湿地型微生物燃料电池处理废水及同步产电研究[J].现代化工,2017,37(06):154-157.
[5]赵晓红,徐磊,任柏铭,Liam Doherty,赵亚乾.铝污泥人工湿地/微生物燃料电池工艺性能初步研究[J].中国给水排水,2015,31(17):137-141.
论文作者:刘家兴,卢欢,王昊,姜登岭
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/17
标签：微生物论文; 湿地论文; 阴极论文; 植物论文; 燃料电池论文; 系统论文; 电极论文; 《基层建设》2018年第29期论文;