文献综述
1. 课题背景
水资源消耗的增长造成了废水的增加并最终地导致了对水处理需求的增加。因此，在发达国家水处理技术会消耗大约3%的产电[1,2]。随着空前的人口增长和水资源的不断消耗，寻找一种更为经济有效的水处理方式变得极为重要，因此发展新的可以弥补这种高能量消耗的水处理技术很有必要。
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)技术成为代替传统废水处理技术的一项极具潜力的新技术。通过使用一些产电微生物，微生物燃料电池技术可以在处理废水的同时产生能量。一般地，在微生物燃料电池中，微生物在阳极区（厌氧室）氧化有机物产生电子和质子，电子通过外部的电路转移到阴极区（好氧室），质子可以通过溶液迁移到阴极。在阴极表面，处于氧化态的物质与阳极传递过来的质子和电子结合产生水[3]。 然而目前的微生物燃料电池与传统水处理技术相比仍不具备竞争性，这是因为它的产电效率和化学需氧量（Chemicial Oxygen Demand,COD）去除效率并不如人意。另外，目前所研究的微生物燃料电池大多是在实验室级别内的研究，但是有研究表明在将这项技术放大到中型规模时MFC性能出现了明显的降低，MFC的使用寿命、造价也成了困扰研究人员的难题[4]。
MFC的性能会因为微生物的不同而表现出很大的差异性，所以，筛选和培育产电性能优异的菌种或群落是当下主要的研究方向之一[5]。此外，虽然有关MFC的结构对其性能影响的研究已经在众多的文献中涉及并取得了一些成果，但另外一种可以实际应用的可放大化的MFC结构并没有被成功地设计出来，所以进一步探究MFC的结构也很有必要。
2.课题研究的现状及发展趋势
产电过程中，作为阳极生物催化剂的产电微生物是能量转换的关键部分，也是限制MFC反应速率的主要因素之一[6,7]。目前己有利用厌氧颗粒污泥、消化污泥、生活污水、厌氧/好氧混合污泥以及牛胃液等作为接种源成功启动MFCs的报道[8]。目前对MFCs中微生物菌群进行结构分析的研究技术有聚合酶链式反应-变形梯度凝胶电泳(PCR-DGGE ) 、限制性片段长度多态性(RFLP ) 、快速搅拌静态孵化微生物鉴定(RASI-MIDI ) 、双层平板分离以及Hungate发明的滚管等技术[9]。
已报道的产电微生物包括:a-变形菌纲(Alpha-Proteobacteria)的人苍白杆菌(Ochrobactrum anthropi)和沼泽红假单胞菌((Rhodopseudomonas palustris)； beta;-变形菌纲(Beta-Proteobacteria)的铁还原红育菌(Rhodofoferax ferrireducens);gamma;-变形菌纲(Gamma-Proteobacteria)的铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophilia)和希万氏菌属的S. oneidensis和Shewanella putrefactions;delta;-变形菌纲(Delta-Proteobacteria)的硫还原地杆菌(Geobacter su如rreducens)、地杆菌属(Geopsychrobacter)的G. metallireducens和G.electrodiphilus、丙酸硫叶菌(Desulfoblbus propionicus)等[10-12]。此外，厚壁菌门下的丁酸梭菌(Clostridium butyricum)与拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii)，酸杆菌门((Acidobacteria)的Geothrix fermentan等也已经被报道[13-15]。一些研究表明，MFCs产电微生物群落中地杆菌属(Geobacter)或希瓦氏菌属（Shewanella)是优势菌体。但也有一些研究表明，MFCs中的微生物群落具有更加广泛的多样性。Fedorovich[16]等以海洋沉积物为产电微生物群落的来源，当以乙酸盐为电子供体时，产电微生物群落以弓形菌属中的A.butzleri strain ED-1和弓形菌Arcobacter-L为优势菌(占90%以上)，所得最大功率密度为296mW/L。
MFC的构型是多样的，一个良好的构型不仅要满足关于功率输出与COD去除效率的要求，也要保证材料提供和实际应用于大型系统时的可行性，目前为止有关MFC构型的研究也是层出不穷。MFC构型主要可以被分为双室MFC、单室MFC、上流式MFC、平板式MFC、和双筒式MFC，此外为了提高电流或电压，也有相关的并联式MFC和串联时MFC[17]。
双室MFC是当前研究中使用最多的构型，早期的大多数MFC研究是在双室MFC中开展的。双室MFC由阳极室和阴极室两个极室构成，中间由质子交换膜分隔，保证了阳极电子供体和阴极电子受体彼此之间的独立性。由于双室MFC的密闭性较好，抗生物污染的能力较强，常用于产电微生物的分离与纯菌的产电性能测试[18]。单室MFC构型简单，Liu等人[19]开发了一种更简单有效的单室MFC，该反应器的阴极和阳极在同一反应室，分别置于MFC反应器的两侧，阴极和PEM采用热压法直接压在一起，采用空气电极作为阴极时，空气中的O2直接传递给阴极，当PEM存在时的输出功率密度可达262 mW/m2，而当没有PEM时，输出功率密度提高到494 mW/m2，均高于相同条件下的双室MFC ，但是由于在PEM时，氧气可以穿过扩散层，直接和底物发生反应，库仑效率从40%-55%下降到9%-12%。上流式MFC是由UASB反应器改造得来，其结合了UASB与MFC的优点，可以使废水与微生物充分接触，进一步提高了MFC在废水处理中的可行性。Jang等人[20]在同一个圆柱体内，阴阳极两室是通过玻璃丝和玻璃珠分开，阳极是碳毡卷，阴极是碳毡圆盘，废水从底部经过阳极处理后直接到达顶部阴极，功率密度仅能达到1.3 mW/m2。平板式MFC是借鉴氢能燃料电池“电极一膜一电极”的设计，通过更近的电极间距产生的低欧姆电阻，从而提高功率输出。在平板式MFC中，流场板起着进料导流，均匀分配反应物以及收集电流的重要作用，使反应物在电极表面不断流动，以改善电极表面的传质。Min等人[21]设计出蛇形的平板式MFC处理生活废水，将质子交换膜夹在阴阳极之间，使得阴阳极之间的间距达到最小，内阻进一步降低，当水力停留时间为1.1 h时，产电功率密度为72 mW/m2, COD去除率为42%。 双筒型MFC是由紧紧包围阳极的圆筒形隔膜和外层阴极室组成。这种构型大大地缩小了阴阳两极之间的间距，增大了质子交换膜的面积，因此内阻大大降低。Rabaey等人[22]使用填充颗粒石墨作为阳极，铁氰化钾作为阴极电子受体，制成了连续流的管状双室MFC，当采用乙酸盐作为基质时，最大功率输出为90mW/m3，库伦效率达到了75%，而当加入废水时，基于库伦电量，去除的有机物转化为电能的效率高达96%。
