1、第52卷 第1期2 0 2 3年 2月Vol.52，No.1Feb.，2 0 2 3上海师范大学学报（自然科学版）Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences）微生物燃料电池在含酚废水处理中的应用刘嘉润，何怡静，乔宇，石玉青，梁杰*（上海师范大学 化学与材料科学学院，上海 200234）摘 要：近年来，工业化的快速发展所带来的环境问题受到了广泛的关注.含酚废水作为造纸、制药、石油化工等工业生产的主要有机污染物废水，具有毒性大和生化降解难的特点，亟须开发一些能够对其进行高效降解的废水处理工艺.文章着重介绍了微生物燃料电池（MFC）的
2、技术原理、处理含酚废水中的应用及影响其性能的几个因素，并指出了未来MFC技术的研究方向.关键词：微生物燃料电池（MFC）；含酚废水；污染物；降解；废水处理中图分类号：O 69 文献标志码：A 文章编号：1000-5137（2023）01-0110-08Application of microbial fuel cell in phenol containing wastewater treatmentLIU Jiarun，HE Yijing，QIAO Yu，SHI Yuqing，LIANG Jie*（College of Chemistry and Materials Science，Shan
3、ghai Normal University，Shanghai 200234，China）Abstract：In recent years，the environmental problems brought by the rapid development of industrialization have attracted extensive attention.Phenol containing wastewater is the main organic pollutant wastewater in papermaking，pharmaceutical，petrochemical
4、and other industrial productions.Due to its high toxicity and difficult biodegradation，it is urgent to develop some wastewater treatment processes that can degrade it efficiently.This paper focuses on the principle of microbial fuel cell（MFC）technology，its application in the treatment of phenol cont
5、aining wastewater and several factors affecting its performance，and points out the research direction of MFC technology in the future.Key words：microbial fuel cell（MFC）；phenol containing wastewater；pollutant；degradation；wastewater treatment1 含酚废水的来源与危害 1.1含酚废水的主要来源随着我国工业的飞速发展，我们的生活变得越来越便利.然而，在科技改善我们
6、生活的同时，环境问DOI：10.3969/J.ISSN.1000-5137.2023.01.015收稿日期：2022-07-15作者简介：刘嘉润（1998），男，硕士研究生，主要从事废水处理技术方面的研究.E-mail：.*通信作者：梁 杰（1964），男，副教授，主要从事抗菌和消毒材料、水净化材料及废水处理技术的开发和应用方面的研究.E-mail：引用格式：刘嘉润，何怡静，乔宇，等.微生物燃料电池在含酚废水处理中的应用 J.上海师范大学学报（自然科学版），2023，52（1）：110117.Citation format：LIU J R，HE Y J，QIAO Y，et al.Applica
7、tion of microbial fuel cell in phenol containing wastewater treatment J.Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences），2023，52（1）：110117.第1期刘嘉润，何怡静，乔宇，等：微生物燃料电池在含酚废水处理中的应用题也引起了广泛的关注.工业生产会产生大量工业废水，无机和有机污染物排入水中导致环境问题层出不穷.苯酚及其衍生物是工业废水中最常见的有机污染物1.其广泛存在于石油化工、制药、炼油造纸、塑料和木制品等各个行业的废水中2.据统计，2020年，在我
8、国工业行业中，化学需氧量（COD）排放量排名前列的行业为纺织业、化学原料和化学制品制造业、农副食品加工业、造纸和纸制品业.仅纺织业、造纸和纸制品业就约占工业行业COD排放量的1/4，可见苯酚及酚类化合物在工业废水中占有较大比重.1.2含酚废水的危害苯酚及其衍生物是一种有毒污染物，可通过植物吸收和富集进入食物链，对生态系统中许多物种的长期生存和人类健康造成严重影响3.即使在低浓度下，其对人类与水生生物也有较大伤害.尤其是这些化合物不仅对人体的皮肤有很强的腐蚀作用，而且对呼吸系统、肝脏和肾脏都会有一定的损害4.其有害影响涉及急性毒性、组织病理学变化、致突变性和致癌性等5.美国环境保护署（EPA）将
9、苯酚列为优先污染物，规定饮用水中，苯酚的量短时间内应低于6 mg L-1，永久低于2 mg L-1.中华人民共和国环境保护部将苯酚设计为排放前必须去除的重点污染物，根据 污水综合排放标准（GB 89781996），挥发酚类废水一级排放标准应小于20 mg L-1 6.可见，开发有效的方法来降解废水中的酚类化合物对于保护公众的健康具有重要的意义.2 含酚废水的传统处理技术 2.1物理法物理法是通过萃取法、吸附法等物理的方法处理水中的酚，与其他方法相比，物理法来源广泛、应用范围广和工艺简单，是一种简便易行的处理方法.但物理法仅改变污染物在废水中的存在状态，并不能完全降解目标污染物.LI等7以甲基异
10、丁基酮（MIBK）为萃取剂，分别对苯酚和邻甲基苯酚进行萃取.通过改变酚类溶液的浓度，调节不同的萃取温度，考察了酚类浓度和萃取温度对萃取的影响.结果表明，MIBK对苯酚及邻甲酚都有较好的萃取性能，在室温平衡的情况下，油相中的酚类浓度会随水相浓度呈线性增加.经实验证实，温度对酚类萃取性能的影响较大，随萃取温度的增加，MIBK对苯酚和邻甲酚的分配系数都有明显下降.YAO等8首次成功构建了热分离磁性离子液体水相两相系统（MILATPS），并将其应用于从水溶液中提取和回收苯酚、邻甲酚和间甲酚，取得较好性能.对热分离磁性离子液体（MIL）用量、酚类化合物溶解水的pH值等影响提取效率的条件进行优化后，提取效
11、率均能高于90%.后续又研究了简便方法回收高纯度MIL和酚类化合物，对经回收后的材料进行重复实验，仍具有较好的性能，在萃取-回收过程和含酚废水的工业处理中显示出了巨大的潜力.GUO等9证明了一种具有固有微孔性的可溶性有机聚合物，利用其比表面积更高、溶剂选择性溶解度更好等优点，对苯酚的吸附能力与当今先进的固体吸附剂相当，并开发了一种溶解分离-沉淀（DSP）策略来再生吸附剂和克服结垢问题，为吸附剂设计提供了新的概念.2.2化学法化学法是在一定条件下通过使酚类化合物与其他物质发生化学反应，从而形成易于降解的小分子.化学法主要包括光催化、电催化、臭氧氧化等.化学法近年来发展迅速，电化学法具有适用范围广
12、和无选择性的特点，化学氧化法反应迅速、毒性低，被广泛应用于难生化降解废水中.但电化学法对设备要求较高，降解成本也较高，传统的化学氧化法也难以降解高浓度废水，限制了其在高浓度废水处理方面的应用.JOTHINATHAN等10制备了一种新型双金属（铁、锰）掺杂粉状活性炭（PAC）颗粒（Fe-Mn/PAC），作为臭氧氧化含酚废水的臭氧催化剂，可将1 h COD和苯酚的去除率提高到79%和95%.在提高降解效率的1112023年上海师范大学学报（自然科学版）J.Shanghai Normal Univ.（Nat.Sci.）同时，大大降低臭氧的使用量，且具有良好的稳定性.BAN等11通过将伽马-氧化铝（-
13、Al2O3）负载的氮-钒（N-V）共掺杂二氧化钛（TiO2）催化剂，使其作为粒子电极，研究采用可见光辅助电催化处理模拟含酚废水，且研究了影响可见光辅助电催化处理苯酚废水降解的因素及其相互作用.结果表明，该粒子电极在可见光辅助电催化中表现出良好的催化性能，对该方法处理苯酚废水的降解效果影响因素从大到小依次为：pH值，电极间距，电解液浓度.LIU等12采用臭氧-高铁酸钾联合氧化的方法处理含酚废水，并与单独使用臭氧或高铁酸钾处理含酚废水的效果进行比较.结果表明，在最佳条件下，臭氧单独处理100 mg L-1苯酚废水的去除率为89.6%，而臭氧-高铁酸钾联合处理同浓度苯酚废水的去除率提高到了98.6%
14、.联合处理比使用单一方法有更优异的降解效果.2.3生物法生物法主要通过微生物代谢作用来处理污染物质.例如，好氧微生物将酚类物质进行消化和分解，达到微生物新陈代谢的机理.生物法能够实现对酚类的无毒分解，但其缺点为抗负荷冲击能力较差，也无法对高浓度酚类废水进行有效降解.由于酚类废水是难生化降解废水，对微生物有毒害作用，近年来常使用生物法与其他方法相组合的工艺降解含酚废水.ELY等13评估了某生物精炼厂废水使用辣根过氧化物酶（HRP）和Fenton法通过酶的生物转化的效果，发现在pH=7、酶活性为0.8 U mL-1和过氧化氢浓度为1.61 g L-1时，酶促苯酚的转化率为97.5%.再使用Fent
15、on法进一步处理剩余苯酚，得到废水中剩余苯酚浓度为 0.11 mg L-1.因此，HRP与 Fenton相结合的方法可被视为生物炼油厂处理废水的新方法.ZHONG 等14制备了壳聚糖/有机累托石（CTS/OREC）复合材料，将多酚氧化酶（PPO）通过物理吸附（APPO）和共价结合（CPPO）2种方法固定在CTS/OREC上.用田口法优化实验条件，比较实验结果后得出：APPO酶活性高于CPPO，而CPPO酶载量高于APPO.APPO对酚类的去除效率高于CPPO，其在2 h内对苯酚、4-氯苯酚和2，4-二氯苯酚的去除率分别可以达到（69.34.2）%，（89.82.5）%和（93.81.7）%.且
16、连续实验10次以后，2种PPO仍具有较高的去除效率.该方法为PPO的固定化提供了一种新的载体，固定化的PPO在废水处理中具有巨大的潜力.3 微生物燃料电池（MFC）技术 3.1MFCMFC是一种利用产电的微生物将有机物中的化学能转化为电能的装置，为可再生的能源生产与废水处理提供了一种新途径15-16.“动物电”的概念最早可以追溯到18世纪，由GALVANI试验青蛙腿在肌肉运动中的电力.而利用微生物来发电的想法最初是在1911年由POTTER提出.他将铂电极放入酵母或大肠杆菌的培养物中，并提出了可能会产生电位差17-19.DAVIS等20进一步开发出能够产生超过35 V电势的MFC.由于早期科学技术和环境的限制，MFC技术并未获得很大的关注.在沉寂了一段时间后，到20世纪50年代，美国科学家们利用宇航员的生活垃圾作为MFC的原料，研究显示出MFC的实用性，从而引起了人们的兴趣21.20世纪80年代，随着电子介体的引入，MFC的输出电能得到了大大的提升，MFC近些年来发展迅速.在1991年，RABAEY等22-23提出了用于处理生活废水的MFC.MFC作为一种新型电化学技术，不仅能够有效降