煉油廢水微生物燃料電池啟動(dòng)及影響因素郭璇詹亞力12郭紹輝閻光緒孫素秀趙麗杰耿榮妹（中國(guó)石油大學(xué)（北京）化工學(xué)院，北京102249）去除率（81.8±3）%；利用廢水中存在的原生菌即可啟動(dòng)電池，但啟動(dòng)期長(zhǎng)，外加接種液可快速啟動(dòng)電池；啟動(dòng)時(shí)外接電阻的大小對(duì)電池穩(wěn)定運(yùn)行后的輸出功率有明顯影響，對(duì)電池內(nèi)阻影響相對(duì)較小，當(dāng)啟動(dòng)外接電阻為2000ft，電池輸出功率最大，為288mW/m3；隨陽(yáng)極溶液電導(dǎo)率電池增大，電池內(nèi)阻降低，輸出功率升高；pH值變化對(duì)電池陽(yáng)極電勢(shì)影響較大，進(jìn)而影響電池輸出，當(dāng)溶液pH為9時(shí)，電池輸出電壓最大（388mV），pH過(guò)高或過(guò)低均不利于電池產(chǎn)電；隨著緩沖強(qiáng)度的增大，電池輸出電壓增大，且PBS緩沖強(qiáng)度的增大可從電導(dǎo)率增大和改善質(zhì)子傳遞條件兩方面提高電池的輸出功率。

煉油廢水主要來(lái)源于石油煉制企業(yè)生產(chǎn)裝置的油水分離過(guò)程以及油品、設(shè)備的洗滌、沖洗過(guò)程m，常采用“隔油-孚選-生化”系列工藝處理，其中生化處理是煉油污水處理達(dá)標(biāo)排放的重要環(huán)節(jié)。一般煉油廢水均呈堿性且具有難降解、電導(dǎo)率低、可生化性差、營(yíng)養(yǎng)元素貧乏等特性，微生物毒害作用強(qiáng)，給生化處理工藝造成巨大負(fù)擔(dān)。在生化處理階段，必須嚴(yán)格控制pH值、鹽度等工藝運(yùn)行參數(shù)，才能確保反應(yīng)器正常運(yùn)行以達(dá)到較好的廢水處理效果。

種利用微生物為廉價(jià)催化劑，在廢水凈化的同時(shí)，直接將其中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵龅难b置。面對(duì)能源短缺與環(huán)境污染日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀，MFCs因其同步廢水處理與產(chǎn)電的特性引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注23.迄今為止，微生物燃料電池研究大多以生物質(zhì)廢水及單一工業(yè)有機(jī)物模擬廢水為碳源，針對(duì)實(shí)際工業(yè)廢水的研究較少89，而以煉油廢水為碳源的研究在國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)報(bào)道。

因此，本文嘗試以微生物燃料電池處理煉廠(chǎng)實(shí)際含油廢水，對(duì)影響電池啟動(dòng)和運(yùn)行性能的基本因素進(jìn)行考察，如接種液、外電阻、電導(dǎo)率、pH值、緩沖強(qiáng)度等，為以微生物燃料電池技術(shù)改造煉油廢水處理工藝奠定基礎(chǔ)。

1.陰極室與陽(yáng)極室均為玻璃試劑瓶，兩室之間以法蘭盤(pán)連接密封，中間夾有質(zhì)子交換膜（Nafion117），體積均為400mL.陽(yáng)極室以石墨棒（0.6cmX極，內(nèi)充活性炭顆粒（平均粒徑0.5~2.0mm，孔隙率0.44）為填料，以膠塞密封保持厭氧環(huán)境；陰極室以石墨片（0.5cmX2.5cmX17cm）作為電極接收電子，陰極電解液為20mmol/L的Fe（m）-EDTA體系110，同時(shí)連續(xù)曝氣以保持溶解氧濃度；若無(wú)特別說(shuō)明，兩電極之間外接電阻為10000.MFC運(yùn)行環(huán)境溫度為30°C.1.2陽(yáng)極溶液及接種物電池陽(yáng)極溶液以煉油廢水與PBS緩沖溶液按1：1的比例混合配制，煉油廢水取自燕山石化煉廠(chǎng)浮選段出水，其COD為（45050）mg/L，含油量為（505）mg/L，pH為8.50.5，PBS緩沖溶液參照配制11.混合后的陽(yáng)極溶液COD為（25040）mg/L，含油量為（171）mg/L，H為7.10.1，使用前，通N230min，以保持厭氧環(huán)境。電池接種液為大港石化二沉池泥水混合物。啟動(dòng)期每100mL陽(yáng)極液中加入5mL接種液。

1.3測(cè)試與計(jì)算方法電池外電壓U由瑞博華信號(hào)采集系統(tǒng)（8251，RBH）自動(dòng)記錄存儲(chǔ)。電流密度和單位體積功率密度分別按mS/cm，考察各個(gè)電導(dǎo)率下，電池穩(wěn)定輸出電壓變化，結(jié)果如所示。電池輸出電壓隨電導(dǎo)率的增加而增力口，當(dāng)電導(dǎo)率由1.53mS/cm增加到7.64mS/cm時(shí)，電池輸出功率密度由274.56mW/m3增加到365.20mW/m3，增幅33%.為分析電池輸出功率隨電導(dǎo)率增加的原因，在電池穩(wěn)定運(yùn)行期間，利用穩(wěn)態(tài)放電法作電流與輸出電壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)測(cè)定電池表觀(guān)內(nèi)阻，結(jié)果如所示。在不同的電導(dǎo)率條件下（3.02、。05及7.64mS/cm），電池電流與輸出電壓之間均基本呈直線(xiàn)關(guān)系（V=1，相關(guān)系數(shù)分別為0.997、。999及0.999）。根據(jù)電壓與電流間關(guān)系，可推出當(dāng)電池陽(yáng)極溶液電導(dǎo)率為3.02、。05及7.64mS/cm時(shí)，電池內(nèi)電阻分別為1極溶液電導(dǎo)率增加，微生物燃料電池內(nèi)阻不斷降低，進(jìn)而使得電能內(nèi)耗損失不斷減少，相應(yīng)電池輸出功率升高，這一。當(dāng)陽(yáng)極液pH值在4~12之間時(shí)，電池輸出電壓隨pH值的升高先上升后下降，pH值過(guò)高或過(guò)低都不利于電池產(chǎn)電，當(dāng)pH值為9時(shí)，輸出電壓達(dá)到最高，為388mV.這可能是因?yàn)閜H值為9時(shí)，大部分微生物活性較高，比較適宜污染物代謝，而pH值過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)抑制微生物的活性。

為進(jìn)一步考察pH值對(duì)電池性能的影響，分別在陽(yáng)極溶液pH值為4、9、12的條件下，利用穩(wěn)態(tài)放電法作電極電勢(shì)隨電流密度變化關(guān)系，如所示。

結(jié)果表明，在不同陽(yáng)極pH條件下，電池陰極電勢(shì)變化基本致，而陽(yáng)極電勢(shì)變化差別較大。對(duì)陽(yáng)極電勢(shì)進(jìn)行擬合得陽(yáng)極電勢(shì)隨電流密度的變化梯度，當(dāng)pH值為9時(shí)，陽(yáng)極電勢(shì)變化梯度最小為0.0367mV；pH值為4或12時(shí)，陽(yáng)極電勢(shì)變化梯度均較高，分別為0.0404mVmA/m）及0.0428mV/（mA/m）。由此可知，pH值變化主要影響電池陽(yáng)極電勢(shì)變化，進(jìn)而影響電池電壓輸出。這可能是因?yàn)檫^(guò)高或過(guò)低的pH值會(huì)抑制微生物電子傳導(dǎo)性能，使電子不能及時(shí)傳遞至電極，造成過(guò)電位，因此極化現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.6緩沖強(qiáng)度對(duì)電池性能的影響為考察營(yíng)養(yǎng)液緩沖強(qiáng)度對(duì)MFC產(chǎn)電性能的影響，當(dāng)外接電阻為1000n時(shí)，分別配制50、00及200mmol/L的PBS緩沖營(yíng)養(yǎng)液與煉油廢水以1：1的體積比混合均勻后作為電池陽(yáng)極液，待電池穩(wěn)定運(yùn)行后，記錄電壓輸出數(shù)據(jù)。同步進(jìn)行對(duì)照。對(duì)照組電池輸出電壓最低，僅為290mV；當(dāng)PBS強(qiáng)度從0mmol/L提高到200mmol/L時(shí)，電池輸出電壓由290mV增加到410mV，提高了41.4%.進(jìn)一步利用NaCl將上述每組電池陽(yáng)極溶液電導(dǎo)率調(diào)平，重復(fù)進(jìn)行。對(duì)照組電池輸出電壓仍最低，僅為379mV；當(dāng)PBS強(qiáng)度從0mmol/L提高到200mmol/L時(shí)，電池輸出電壓由379mV增加到431mV，僅提高了13.7%，僅為電導(dǎo)率未調(diào)平時(shí)增幅的1/3.而當(dāng)個(gè)PBS緩沖液電導(dǎo)率調(diào)平后，隨著PBS緩0PBS強(qiáng)度與MFC輸出電壓關(guān)系圖Fig.沖強(qiáng)度的升高，電池輸出電壓仍會(huì)增加。由此可知，PBS的加入導(dǎo)致電池輸出電壓升高，不僅有PBS增加附帶電導(dǎo)率升高的原因15，也有PBS的加入能夠促進(jìn)溶液中質(zhì)子傳遞和穩(wěn)定電極周?chē)鷓H的原因16‘17.3結(jié)論綜上所述，微生物燃料電池可有效利用煉油廢水為碳源產(chǎn)電，同時(shí)去除廢水中的石油類(lèi)化合物，進(jìn)而降低溶液COD；陽(yáng)極加入接種液會(huì)加快電池的啟動(dòng)；啟動(dòng)時(shí)外接電阻的大小對(duì)電池穩(wěn)定運(yùn)行期的輸出功率影響較大，但對(duì)電池內(nèi)阻較小；當(dāng)電池穩(wěn)定運(yùn)行期間，隨陽(yáng)極溶液電導(dǎo)率的升高電池內(nèi)阻降低，輸出功率增大；pH值為9時(shí)，電池性能最佳，過(guò)高或過(guò)低的pH值均可抑制微生物活性而降低電池電壓輸出，且pH值對(duì)電池陽(yáng)極電勢(shì)影響較大；隨陽(yáng)極溶液緩沖強(qiáng)度的增加，電池輸出功率會(huì)持續(xù)增大，不僅因?yàn)镻BS增加附帶電導(dǎo)率升高，也因?yàn)镻BS的加入可促進(jìn)溶液中質(zhì)子傳遞并穩(wěn)定電極周?chē)鷓H.