南开大学“微生物电 ”实验室：微生物电解池处理厨余垃圾液化液同步资源化产氢

文章来源 ： 《工业水处理》2022年第6期

第一作者 ：张佳瑶

通讯作者 ：王鑫

（1）针对厨余垃圾液化处理后的废水难以降解和资源化的难题，本研究构建了一种紧凑堆栈式微生物电解池（Microbial electrolysis cell，MEC），实现了废水中有机物的快速降解和资源化产氢。

（2）比较了不同阳极材料对堆栈式MEC反应器性能的影响，由于碳毡材料具有较高的比表面积和较大的体积能够富集更多的电活性微生物，在产氢性能上较碳布材料有显著提升。此外，使用厚度为5 mm的碳毡作为阳极材料的反应器在36 h内的COD去除率为（92±1）%，产氢速率达到了（65±12）mL/（L·d），远高于使用碳布和厚度为2 mm的碳毡作为阳极材料的反应器的性能。增大辅助电压和增加溶液扰动可以进一步优化反应器的性能，5 mm碳毡反应器在外加（0.70±0.02） V电压并增加溶液扰动的条件下，在13 h内去除了（96±2）%的COD，产氢速率高达（1 225±72）mL/（L·d）。

（3）参数优化后的反应器用于处理厨余垃圾液化液，可在20 h内去除（75±1）%的 COD，并以（161±6）mL/（L·d）的速率产生氢气，实现了厨余垃圾液化液有机物降解和同步资源化产氢。

针对厨余垃圾液化处理后的废水难以降解和资源化的难题，本研究采用构建了一种紧凑堆栈式微生物电解池，采用了“阴极－隔膜－阳极”平行堆叠的电极结构，实现了厨余垃圾液化液中有机物的降解和资源化产氢，有望进一步实现MEC的放大化和实用化。

厨余垃圾是生活中常见的有机废物，如果处理不当将会严重威胁人类健康和生态环境安全。近年来，一种以好氧消化为基础的复合微生物液化厨余垃圾技术能够在8 h内降解95%~98%的厨余垃圾。但与此同时该技术产生的厨余垃圾液化液中含有大量的有机物，根据污水综合排放标准，亟待开发快速高效的有机物降解和资源化处理技术，将其COD降低到500 mg/L以下。

随着微生物电化学系统研究的成熟化，以微生物电解技术为代表的有机物降解及其资源化产氢技术已具备工业化的潜力。该技术以污水中的有机碳源为电子供体，通过微小电压输入，可突破生物制氢中传统发酵法1 mol葡萄糖产4 mol H2的瓶颈，产量可接近12 mol H2，能量效率达到200%。

当前多数MEC反应器装置体积小，扩大后性能有所下降，技术仍局限于实验室中。密集堆栈设计是MEC性能提升的关键，其实用化设计应尽可能降低电极间距。本课题组近期研究表明，降低电极间距除了具有降低内阻、提高电流密度的优点外，还可对特定高电活性菌种（如Geobacter anodireducens）具有选择性富集效果。但如果电极之间的间距过小，阴阳两极之间会存在微短路的现象影响反应器性能。一种“阴极－隔膜－阳极”平行堆叠的紧凑堆栈式电极结构就可以在减少电极间距的同时避免这种现象，可实现微生物电解池的扩大化。

目前对堆栈式MEC反应器——阳极材料选择、实验参数优化、处理不同污水性能的相关研究较少。因此本研究采用上述结构，研究了不同阳极材料对堆栈式MEC反应器电化学性能以及降解有机物产氢效率的影响，并且通过改变辅助电压和增加溶液扰动的方式来优化反应器的性能，最终探究经过驯化后的堆栈式MEC反应器处理厨余垃圾液化液产氢的效能。

设计了15 cm×10 cm×10 cm的可放大MEC反应器用于处理厨余垃圾液化液并资源化产氢。MEC电极为堆叠排布的8组阴阳极，阳极采用“不锈钢网－阳极材料－不锈钢网”的夹心模式，阴极为单个不锈钢网，阴阳极间设置塑料隔板来防止短路。

结果表明，在堆栈式MEC反应器中，反应器性能会随着阳极材料比表面积和体积的增加而增加，5 mm碳毡反应器能够在36 h内去除（92±1）%的COD，产氢速率可达到（65±12） mL/（L·d）。增大辅助电压和增加溶液扰动可以进一步优化堆栈式MEC反应器的电化学性能以及降解乙酸钠产氢的性能，在（0.70±0.02） V的两极电压下5 mm碳毡反应器能够在14 h内去除（88±3）%的COD，产氢速率达到（992±35） mL/（L·d）；在增加溶液扰动后，5 mm碳毡反应器能够在13 h内去除（96±2）%的COD，产氢速率增加至（1 225 ±72） mL/（L·d）。经过驯化后的堆栈式MEC反应器能够在10 h内将厨余垃圾液化液的COD从（1 181±4） mg/L降至（500±5）mg/L，并且以（161±6）mL/（L·d）的速率产生氢气，具有良好的应用前景。

（a）电流密度；（b）CV和DCV；（c）COD降解；（d）产气情况

图2  不同阳极材料对MEC性能的影响

Fig. 2  The effects of different anode materials on the performance of MEC reactor

（a）电流密度；（b）CV和DCV；（c）COD降解；（d）产气情况

图3  不同辅助电压对MEC性能的影响

Fig. 3  The effects of different auxiliary voltages on the performance of MEC reactor

（a）电流密度；（b）CV和DCV；（c）COD降解；（d）产气情况

图4  增加溶液扰动对MEC性能的影响

Fig. 4  The effects of adding solution disturbance on the performance of MEC reactor

1：电流密度曲线，2：COD浓度变化曲线，3：产气体积当量曲线

图5  MEC反应器处理厨余垃圾液化液性能

Fig. 5  Performance of MEC reactor treating kitchen waste liquid liquefaction

第一作者 ：张佳瑶（1998— ），硕士研究生。E-mail：2532795908@qq.com。

通讯作者 ：王鑫，博士，教授。E-mail：xinwang1@nankai.edu.cn。

（ 来源 ：《工业水处理 》 2022年第6期 ）