自驱动 MFC-MEC 耦合系统处理电镀废水：创新生物电化学系统的应用

自驱动 MFC-MEC 耦合系统处理电镀废水：创新生物电化学系统的应用

【摘要】电镀废水通常含有多种重金属及络合剂，若不经处理直接排放，不仅威胁人类的生产生活，而且浪费了电镀废水中的有价金属资源。电镀废水常规处理方法如电解、化学沉淀、溶剂萃取、吸附等，存在能耗高、成本高、易二次污染、有价金属资源难以回收等问题。自驱动MFC-MEC耦合系统由微生物燃料电池（fuel cell，MFC）和微生物电解池（cell，MEC）组成，是生物电化学系统形式的创新。MFC处理高氧化还原电位的重金属离子，发电驱动MEC处理低氧化还原电位的重金属离子，从而实现多种重金属离子的还原去除。 实验搭建MFC反应装置，研究阳极参数（基质浓度、污泥接种量、阳极pH）、阴极参数（阴极pH、离子浓度、阴极材料）、反应器体积、极间距离对MFC电性能及含铜废水处理的影响。结果表明：基质中乙酸钠浓度为1g/L、活性污泥与基质体积比为1∶2、阳极pH为8、阴极pH为3、铜离子浓度为500mg/L、阴极材料为碳纸、反应器体积为500mL时，MFC具有良好的发电性能和铜回收效果。当极间距离为6cm时，MFC的最大功率密度为6002.5mW/m~2，Cu~（2+）去除率为99.17%，Cu比回收率为0./。 利用XRD对MFC阴极还原产物进行分析，发现MFC阴极产物主要为氧化铜和氧化亚铜。

试验还考察了电极材料、底物浓度、阴极液pH值、反应器体积、极间距离等参数对含铬废水处理及MFC电性能的影响。结果表明:当以碳毡为阳极材料、以碳纸为阴极材料、乙酸钠底物浓度为1g/L、阴极液pH值为2、反应器体积为250mL、极间距离为8cm时,MFC具有良好的发电性能和铬处理效果。当阴极液pH值为2时,MFC的最大开路电压为1.122V,最大功率密度为/m~2,COD去除率为82.22%,Cr~(6+)去除率为96.69%。 对MFC阴极产物进行XRD分析，有Cr~(3+)的生成，证明了MFC可以处理含铬废水，并降低了废水中铬的毒性。构建MFC-MEC耦合体系处理模拟电镀废水，通过改变MFC参数、MEC参数、耦合方式等考察耦合体系的电性能和重金属处理效果：1）当MFC反应器为500 mL时，耦合体系具有较好的性能，Cr的比回收率为1.6 mol Cr/mol COD，Cd的比回收率为0.51 mol Cd/mol COD，系统电子回收率为55.56%； 2）当MFC污泥接种量为170 mL时，耦合体系处理铬镍废水效果最好，Cr~（6+）去除率为93.93%，Ni~（2+）去除率为83.93%；3）MFC串联电堆可以提高MEC两端的电压，但另一方面MFC串联会增加电子传递阻力，减慢电极反应速度，从而影响电气性能；4）当采用钛板作为MEC阴极时，耦合体系处理效果更佳，Cu~（2+）去除率最高可达93.7%，Cd~（2+）去除率为51.5%，Ni~（2+）去除率为1.2%，i~（2+）和Zn~（2+）的去除率分别为76.28%、42.84%； 5）酸性阴极环境有利于MEC阴极液中金属离子的还原，当MEC阴极液pH值为3时，耦合体系中金属离子去除效果较好，Cd~（2+）去除率为82.44%，Ni~（2+）去除率为81.59%，Zn~（2+）去除率为47.78%；6）较小的反应器体积有利于金属离子的去除，当MEC反应器体积为100 mL时，废水处理效果较好；7）并联耦合方式更有利于MFC中Cu~（2+）的还原去除，Cu~（2+）去除率在80%以上。

实验利用MFC-MEC耦合体系处理实际电镀废水，处理高浓度铜镍废水时Cu产率为2.17 mol Cu/mol COD，Ni产率为1.54 mol Ni/mol COD，电子回收率为58.78%。XRD检测表明MEC阴极还原产物为单质镍。增加MFC堆层数可提高耦合体系处理电镀废水的能力，Cu~(2+)去除率在99.98%以上，Ni~(2+)去除率为29.4%。 采用该耦合体系处理混合电镀废水时，当MFC反应器体积为500 mL时，Cu~（2+）和Cr~（6+）的去除率分别为64.63%、88.28%，串联的MEC中Cd~（2+）、Ni~（2+）和Zn~（2+）的去除率分别为62.8%、30.7%和40.75%。对阴极产物进行XRD分析，MFC中生成CrCu，而MEC阴极中生成ZnS和Cd。这表明MFC-MEC耦合体系可用于处理实际电镀废水，降低电镀废水中金属离子的毒性，并回收电镀废水中有价金属。