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微生物燃料电池处理酵母工业废水：电极材料与反应器构型的影响研究

作者及机构
本研究由Haris Nalakath Abubackar（第一作者，土耳其Dokuz Eylül大学环境工程系；西班牙A Coruña大学科学系）、İdris Biryol（通讯作者，Dokuz Eylül大学自然与应用科学研究生院）和Azize Ayol（通讯作者，Dokuz Eylül大学环境工程系）合作完成，发表于《International Journal of Hydrogen Energy》2023年第48卷。

学术背景
酵母工业（尤其是面包酵母生产）产生的高浓度有机废水（COD化学需氧量达4000–130,000 mg/L）是环境治理的难点。传统处理方法（如电凝、生物处理等）存在成本高或效率不足的问题。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）技术能同步实现废水处理与电能生产，符合循环经济理念。然而，实际废水中MFC的性能受电极材料、反应器构型和微生物群落的影响显著。本研究首次系统评估了钛（Titanium）和石墨（Graphite）电极在单室/双室MFC中对酵母废水的处理效果及产电性能，旨在为工业应用提供优化方案。

研究流程与方法
1. 废水与接种污泥采集
- 研究对象：从土耳其伊兹密尔某酵母厂均衡池采集废水（初始COD 7164 mg/L），接种污泥分别来自工厂自身的上流式厌氧污泥床（UASB）和市政污水处理厂的厌氧消化池（AD）。
- 表征参数：pH、电导率（EC）、氧化还原电位（ORP）、悬浮固体（SS）、挥发性悬浮固体（VSS）和COD（标准方法测定）。

1. MFC反应器设计

   • 构型：对比单室MFC（无分隔）和双室H型MFC（以Nafion 117质子交换膜分隔阳极室和阴极室），工作体积均为300 mL。
     
   • 电极材料：
     
     • 钛电极：圆柱形（表面积31.4 cm²）
       
     • 石墨电极：矩形（表面积20.5 cm²）
       
   • 实验分组：
     
     • 单室MFC（钛电极，UASB污泥接种）
       
     • 双室MFC1（钛电极，UASB污泥）
       
     • 双室MFC2（阳极石墨/阴极钛，UASB+AD混合污泥）
       
     • 双室MFC3（石墨电极，UASB+AD混合污泥）
       

2. 运行与监测

   • 操作条件：30°C恒温、100 rpm搅拌，外接1000Ω电阻，通过Keithley数据采集系统记录电压。
     
   • 补充策略：每5天投加废水以维持底物浓度。
     
   • 分析方法：定期检测COD去除率、产电性能（功率密度、电流密度）和库仑效率（CE）。

3. 数据分析

   • 性能指标：功率密度（P = V×I/电极面积）、电流密度（I/电极面积）、CE = 8×I/(F×Q×ΔCOD)。
     
   • 统计方法：所有测量重复三次，采用标准偏差验证数据可靠性。

主要结果
1. COD去除效率
- 双室MFC1（钛电极）表现最佳，COD去除率达92%，单室MFC为75.6%。石墨电极的双室MFC2和MFC3分别达到84.3%和81.3%。
- 机制：双室构型中质子交换膜有效隔离阳极厌氧环境与阴极需氧条件，促进产电菌（如exoelectrogens）的活性。

1. 产电性能

   • 最高功率密度：双室MFC1达51.02 mW/m²（电流密度12.74 mA/cm²），显著高于单室MFC的10.02 mW/m²。
     
   • 电极影响：钛电极因高导电性和生物相容性优于石墨；阴极材料更换为石墨时（MFC3），功率下降至14.78 mW/m²，表明阴极催化活性对ORR（氧还原反应）的关键作用。
     

2. 微生物群落与长期稳定性

   • UASB污泥接种的MFC1表现更优，可能与污泥中富含产电菌有关。
     
   • 连续运行30天后未发现钛电极腐蚀，但长期耐久性需进一步验证。

结论与价值
1. 科学价值
- 首次证实双室MFC结合钛电极对高浓度酵母废水的高效处理能力（COD去除>90%），为MFC在工业废水领域的应用提供了实验依据。
- 揭示了电极材料与反应器构型的协同效应：双室构型降低氧气扩散对厌氧菌的抑制，钛电极提升电子传递效率。

1. 应用价值
   
   • 提出将现有酵母厂的UASB反应器改造为MFC的可行性，通过简单升级实现“废水处理+能源回收”双目标。
     
   • 为低成本电极（如石墨）的优化方向提供参考，例如通过表面修饰（如掺杂氮或金属氧化物）提升催化活性。

研究亮点
1. 创新性
- 首次系统比较钛/石墨电极在单室/双室MFC中对真实酵母废水的处理效果，填补了该领域空白。
- 提出“工厂UASB污泥直接用作MFC接种源”的实用方案，简化了工业化流程。

1. 方法学贡献
   
   • 采用多参数实时监测（COD、电压、ORP等），建立了性能评估的综合指标体系。
     
   • 通过库仑效率分析（46–59%）揭示了底物竞争对产电菌的影响机制。

其他发现
- 阴极催化剂的选择对降低过电位至关重要，未来可探索非贵金属催化剂（如Co-N-C）以进一步降低成本。
- 研究数据支持MFC与其他技术（如反向电渗析）联用的潜力，以实现更高能源效率。

（报告字数：约2000字）