文 献 综 述
1课题研究背景
微生物燃料电池技术(Microbial Fuel Cell, MFC)是一种新兴的生物能源技术，微生物燃料电池是利用微生物的催化作用将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路到达阴极形成电流；而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化兴物质(氧气或者其他无机、有机物)在阴极得电子还原。
目前，对于含难降解有机物废水（例如染色废水）的经济高效处理仍然是一个棘手的问题。传统的物理方法往往成本高而且容易造成能源耗费，相反，生物处理过程通常速度慢但运行成本较低。MFC在处理有机废物(包括有机废水和有机固体废弃物)的同时产电，实现废物处理和能源回收双赢，已成为环保领域研究的热点。MFC的产电机制可分为5个步骤：底物生物氧化、氧化、外电路电子传输、质子迁移、阴极还原。本技术工业化应用的瓶颈在于电池输出功率低，目前研究者主要通过改进电池结构，优化电极材料等方法提高电池的输出功率[1]。然而，将本技术的研究着眼于低产电水平下的污染物降解，则将成为更具现实意义的研究方向。
硝基酚类化合物是一种重要的化工原料,具有污染范围广、危害性大等特点。酚类化合物具有很大毒性,而硝基取代的酚类化合物在苯环结构的基础上,同时含有硝基和羟基,毒性更大,如果在环境中长期积累不仅会危害生态环境，而且对人体的健康的危害也是相当大的。因为硝基酚本身很容易被皮肤和肺吸收,在生物体内被转化为亚硝基等衍生致癌物,会使机体出现呼吸困难等症状，因此这些硝基酚类化合物被列入了“优先控制污染物名单”,作为首要严格控制污染物[2]。利用微生物燃料电池中生物阴极还原硝基酚，并将还原产物硝基酚置于阳极进行氧化降解，可以实现含硝基酚废水资源化、能源化，具有很好的环境和经济效益，而且具有一定得应用前景。
2课题研究现状
易丹等[3]研究了厌氧活性污泥接种的双室微生物燃料电池分别供给以乙酸钠和淀粉为底物的人工配水的产电情况和有机物去除效果。实验结果表明，MFCs中能量的输出与底物的种类有关，使用乙酸钠和淀粉达到的最大输出电压分别为0.43 V和0.39 V，最大功率密度分别为36.03 mW/m2和6132 mW/m2,简单底物的输出电压和功率密度高于复杂底物。MFCs在产电同时还可有效去除水中的有机物，288 h时以乙酸钠和淀粉为底物的MFCs中TOC的去除率分别为91.15%和83.20%，NH3-N的去除率分别为90.31%和86.20%。扫描电镜发现，2种底物下MFCs阳极表面的微生物形态差异显著，以乙酸钠为底物的MFCs阳极表面生物相主要为杆菌和弧菌；以淀粉为底物的阳极表面主要是球菌，表明不同底物条件下MFCs中所形成的微生物优势种群也不同。
张乐华等[4]研究了以铁锰氧化细菌为催化剂的生物阴极稳定产电的同时实现生物硝化反应的可行性以及其影响因素，并对生物阴极中的铁锰氧化细菌以及硝化细菌进行了计数。以铁锰氧化细菌为催化剂的生物阴极MFCs的启动时间为150～200 h，运行稳定时，最高电压达600 mV。研究表明，该生物阴极在稳定产电的同时实现了生物硝化反应，其NO3－-N的生成速率为0.79 m/(Lbull;h)，NO2-－N最高质量浓度为1.56 mg/L；阴极进水中NH4－-N 以及Do浓度均是重要影响因素；对生物阴极中的铁锰氧化细菌以及硝化细菌计数结果表明，铁锰氧化细菌为7.5times;106 MPN/mL，硝化细菌为9.3times;105 MPN/mL。
He Zhen[5]等提出与非生物型阴极相比，生物型阴极具有以下优点：(1)以微生物取代金属催化剂，可以显著降低MFC建造成本；(2)生物阴极能够避免出现催化剂中毒，提高MFC运行稳定性；(3)利用微生物的代谢作用可以去除水中的多种污染物，例如生物反硝化等。一般来说，根据阴极最终电子受体的不同，可以将生物阴极分为好氧型生物阴极和厌氧型生物阴极。
陈立香等[6]对MFC的生物阴极进行了分类，分类依据主要有厌氧、好氧操作体系的不同等方面；同时他们也归纳总结了微生物燃料电池中微生物的组成、电极和分隔材料这几个方向的研究进展，探讨研究生物阴极在污水处理中对污染物去除的实际效果，并且提出了微生物燃料电池在未来的发展方向。
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