Page 221 - 《精细化工》2023年第12期

第 12 期 李思煜，等: 纳米 Fe 3 O 4 对沼液 MFC 产电特性与有机物降解的影响 ·2763·

The MFC treated with Fe 3O 4 showed maximum voltage of 699 and 707 mV, respectively, with the
maximum voltage lasted up to 10 d. The maximum power density was increased by 43% in the
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Fe 3O 4@carbon felt (700 mW/m ) and 31% in the Fe 3O 4@biochar (578 mW/m ) in comparison to that MFC
without Fe 3O 4 nanoparticles. The highest chemical oxygen demand (COD) degradation rate (51.76%) was
obtained using Fe 3O 4@carbon felt as anode electrode. Direct application of Fe 3O 4@biochar showed the
+
+
greatest effect on the degradation of NH 4 -N, with degradation rate of 89.87%, the NH 4 -N decreased from
(6800.14±57.86) mg/L to (689.14±37.29) mg/L after the application of Fe 3O 4@biochar. The microbial
community structure of the MFC with the participation of nano-Fe 3O 4 tended to be rationalized. Both
participation methods stimulated the growth of the main hydrolytic bacteria (Clostridia). With the position
of nano-Fe 3O 4 changing, the relative abundance of Clostridia in the MFC with Fe 3O 4@biochar directly
inputting into the anode chamber and the MFC with Fe 3O 4@carbon felt as anode electrode reached to
61.11% and 50.98%, respectively. Both had the highest content of Betaproteobacteria in electroactivation
and denitrifying bacteria Sporosarcina was found on the post-reaction carbon felt.
Key words: biogas; MFC; nano-Fe 3O 4; organic degradation; colony structure; water treatment technology

随着中国畜禽养殖业的快速发展，畜禽粪便产 上无序地排列，所以电子可以在 Fe 3 O 4 内部发生转
生量逐年上升，如果不经处理直接排放至环境中容 移，使其成为一种良好的电导体，具有优良的电导
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易造成污染，导致环境恶化 [1-2] 。畜禽粪便中含有大 性 。PENG 等 提到，MFC 中纳米 Fe 3 O 4 作为胞外
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量的有机物、丰富的氮磷钾 等物质，是农业可持 电子和电容的启动体，有利于提高阳极的瞬态电荷
续发展的宝贵资源。除了堆肥和制成饲料的方法外， 存储，同时提高电池的功率性能。但是单独将纳米
应用较多的是厌氧发酵制备生物天然气。因此，近 Fe 3 O 4 置于 MFC 中易发生团聚流失等问题。生物炭
年来大批大型沼气工程应运而生。但是畜禽粪污沼 有着丰富的多孔结构，将纳米 Fe 3 O 4 负载于生物炭
气工程除了产生沼气外，还会存在大量沼液。沼液 表面，Fe 3 O 4 纳米颗粒排列紧密、结构完整，得到具
中仍具有较高含量的有机物、氨氮等，储存过程中 有磁性的 Fe 3 O 4 @生物炭，且依然具有很好的导电
一旦防渗措施不妥当，容易渗入地表对土壤及地下 性。另外，生物炭的氧化还原活性官能团可以加速
[4]
水构成威胁 ，同时储存过程中还会产生大量温室 MFC 微生物之间的电子传递，多孔结构为微生物提
气体，造成大气污染。所以，如何妥善处理沼液成 供更多附着位点，在反应过程中与微生物和有机物
为沼气工程发展中所关注的焦点。 可以更大限度地接触，促进 MFC 消耗有机物以及产
随着对废水深度处理及二次利用的研究，人们 电。与纳米 Fe 3 O 4 结合后，铁离子同时为参与厌氧
[9]
开始认识到废水处理不应只满足于对其中污染物的 氨氧化反应的微生物提供所必需的营养物质 ，提
减量化与达标排放，而应进一步变废为宝，实现废 高厌氧氨氧化除氮性能。反应结束后，利用磁分离
[5]
水的资源化利用 。微生物燃料电池（MFC）是一 技术将 Fe 3 O 4 @生物炭分离回收，避免对环境造成再
种利用微生物分解复杂有机物并且产生电能的装 次污染。PENG 等 [10] 将 Fe 3 O 4 与活性炭的混合物滚
置，既可以处理有机废水又能达到能量转化的目的。 压到不锈钢网上制得电极，并对此电极进行电化学
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目前的研究中，已经有多种废水作为基质参与到 测试，测得最大功率密度〔(809±5) mW/m 〕比不锈
[2]
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MFC 的产电过程。例如，焦燕等 利用牛粪混合液 钢网阳极〔(664±17) mW/m 〕高 22%，而且塔菲尔
作为 MFC 的基质，可以实现长期、高效、稳定地产 动力学实验表明，Fe 3 O 4 改性的阳极在动力学上更有
电，其第 70 d 的电池开路电压、内阻、最高功率密度 利。因此推测，Fe 3 O 4 @生物炭可以促进 MFC 的反
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可分别达到 0.874 V、22.1 Ω 和 14.1 W/m 。HASHMI 应过程，提高 MFC 的最大功率密度。此外，将纳米
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等 以酿酒酵母作生物催化剂，利用 MFC 生物辅助 Fe 3 O 4 直接涂覆于阳极反应材料（Fe 3 O 4 @碳毡）上，
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处理有害废液，最大功率密度为 71.12 mW/m ，最 通过将纳米 Fe 3 O 4 与电极材料粘结固定的方式，使
大电压为 830 mV，而且出水化学需氧量（COD）降 纳米 Fe 3 O 4 与碳毡直接接触，纳米 Fe 3 O 4 特殊的球状
解率高达 94%。但目前利用 MFC 处理有机废水， 结构可以多角度为与微生物接触提供更多活性位点
处理效率不高，产电电压、功率密度及库仑效率较 [11] ，促进微生物在碳毡生长富集，有利于生物膜的
低，可应用性较差。 形成，强化 MFC 电子传递效率与有机物降解速率。
为了提高 MFC 对废水中有机质的降解效率和 基于此，本研究通过将 Fe 3 O 4 @碳毡作为阳极电
极和直接向阳极室投加 Fe 3 O 4 @生物炭两种方式，实
产电效率，考虑在 MFC 装置中加入某种介质。Fe 3 O 4
3+
2+
中含有 Fe 和 Fe ，两种离子在 Fe 3 O 4 八面体位置 现纳米 Fe 3 O 4 与 MFC 相结合，探究纳米 Fe 3 O 4 介入