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厌氧流化床微生物燃料电池处理含酚废水性能和机理研究

1.引言

1.1含酚废水来源及危害

含酚废水主要来源于石油化工、焦化、医药、塑料、印染等行业。其中，酚类化合物是重要的有机污染物，具有毒性强、难降解、生物累积性等特点，对环境和人体健康造成了极大危害。酚类化合物可导致水质恶化、生态系统失衡，长期接触可引发人体神经系统、血液系统等多种疾病。

1.2微生物燃料电池技术概述

微生物燃料电池（MicrobialFuelCell,MFC）是一种利用微生物将有机物氧化为电能的装置。MFC具有绿色、环保、可持续等优点，逐渐成为废水处理领域的研究热点。近年来，MFC技术在处理有机废水、生物传感器、分布式能源等方面取得了显著成果。

1.3厌氧流化床微生物燃料电池研究意义

厌氧流化床微生物燃料电池（AnaerobicFluidizedBedMicrobialFuelCell,AFB-MFC）结合了厌氧流化床和微生物燃料电池的优点，具有高效、节能、占地小等特点。研究AFB-MFC处理含酚废水的性能和机理，对于解决我国当前面临的含酚废水处理难题具有重要意义，有助于提高废水处理效果，降低处理成本，为实际工程应用提供理论依据和技术支持。

2厌氧流化床微生物燃料电池原理与结构

2.1原理概述

厌氧流化床微生物燃料电池（AnaerobicFluidizedBedMicrobialFuelCell,AFB-MFC）是基于传统微生物燃料电池（MicrobialFuelCell,MFC）技术的一种改进。它通过在电池内部设置流化床，利用微生物在厌氧条件下对有机物进行氧化还原反应，从而产生电能。其基本原理是利用微生物作为生物催化剂，将有机物中的化学能转化为电能。

2.2结构与组成

AFB-MFC主要由厌氧流化床反应器、阳极、阴极和外部电路组成。厌氧流化床反应器通常采用碳颗粒作为载体，为微生物提供附着生长的表面。阳极和阴极通常采用碳材料制作，具有良好的电化学活性。外部电路连接阳极和阴极，使电子能够在两者之间传递。

2.2.1厌氧流化床反应器

厌氧流化床反应器是AFB-MFC的核心部分，其主要功能是提供微生物生长的环境和足够的表面积。流化床中的碳颗粒在操作过程中保持动态流动，有助于提高微生物与有机物的接触面积，提高反应速率。

2.2.2阳极

阳极是微生物附着和电子传递的主要场所。在AFB-MFC中，阳极表面的微生物通过代谢有机物产生电子，电子经阳极传递到外部电路。

2.2.3阴极

阴极在AFB-MFC中通常作为电子受体，接收来自阳极的电子。在阴极区域，电子和电子受体发生还原反应，生成产物。

2.3优势与局限

2.3.1优势

AFB-MFC具有以下优势：

高效的污染物去除能力：AFB-MFC能同时实现有机物降解和能量回收。

良好的传质效果：流化床设计使微生物与污染物接触更充分，提高反应速率。

抗冲击负荷能力强：流化床结构使AFB-MFC在处理含酚废水时具有较好的抗冲击负荷能力。

2.3.2局限

AFB-MFC存在以下局限：

构造复杂：相较于传统MFC，AFB-MFC的结构更为复杂，制造成本较高。

操作难度大：流化床的运行需要精确控制，对操作人员的技能要求较高。

产电性能相对较低：相较于其他类型的MFC，AFB-MFC的产电性能仍有待提高。

通过对AFB-MFC的原理和结构进行分析，可以为后续研究其在处理含酚废水性能和机理方面提供理论基础。

3.厌氧流化床微生物燃料电池处理含酚废水性能研究

3.1实验材料与方法

本研究采用的厌氧流化床微生物燃料电池（AFB-MFC）由有机玻璃制成，有效容积为1L。阳极采用碳刷作为电极材料，阴极则采用铂钴合金电极。实验所用含酚废水为模拟废水，其主要成分为苯酚，浓度分别为100mg/L、200mg/L和400mg/L。

实验方法如下：1.将模拟含酚废水注入AFB-MFC中，启动电源进行反应；2.通过改变操作条件（如温度、pH、负荷等），研究不同条件下AFB-MFC的处理性能；3.采用批次实验，记录不同浓度含酚废水的处理效果。

3.2性能评价指标

本研究主要采用以下性能评价指标：

废水化学需氧量（COD）去除率：反映AFB-MFC对有机物的去除效果；

废水总酚含量：反映AFB-MFC对酚类污染物的去除效果；

电流密度：反映AFB-MFC的产电性能；

电池电压：反映电池的输出电压。

3.3实验结果与分析

实验结果表明，AFB-MFC对含酚废水的处理性能如下：

随着含酚废水浓度的增加，COD去除率先升高后降低，总酚含量逐渐增加；

在温度为35℃、pH为7的条件下，AFB-MFC的处理性能最佳；

电流密度随负荷增加而增大，但当负荷过高时，电流密度反而降低；

电池电压在较低负