微生物燃料電池(microbial fuel cells，MFCs)能夠?qū)⒂袡C(jī)物或無(wú)機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，在治理污染的同時(shí)也提供電能，在修復(fù)污染環(huán)境和生物產(chǎn)電方面有著很好的前景。通過文獻(xiàn)調(diào)研方法，系統(tǒng)論述了國(guó)內(nèi)外微生物燃料電池在環(huán)境污染治理方面的研究及應(yīng)用情況，分別從重金屬污染、有機(jī)污染、非重金屬無(wú)機(jī)污染等方面論述了微生物燃料電池在土壤修復(fù)方面的應(yīng)用，并且從電極材料、大小、間距、排列方式、外阻和土壤性質(zhì)等方面闡述其影響因素，最后探討了微生物燃料電池的應(yīng)用前景和不足之處。

　　近年來, 能源短缺和環(huán)境污染問題成為世界關(guān)注的焦點(diǎn), 我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，也正面臨著能源緊缺和環(huán)境污染的巨大壓力, 中國(guó)能源環(huán)境方面的問題尤其突出。我國(guó)正處于工業(yè)化的上升期, 能源供需矛盾愈演愈烈。按照目前的能源消費(fèi)和生產(chǎn)速度, 預(yù)計(jì)至2020年我國(guó)將面臨巨大的能源缺口, 至少還需要109t標(biāo)準(zhǔn)煤。而研究發(fā)現(xiàn), 2050年我國(guó)若要達(dá)到美國(guó)2002年人均裝機(jī)容量的一半水平, 還需要電力裝機(jī)2.4×109kW, 而我國(guó)發(fā)揮常規(guī)能源發(fā)電的最大能力也僅能提供1.7×109kW電力, 距美國(guó)人均的一半還有30%的缺口。同時(shí), 土地污染問題引起了廣泛關(guān)注, 能源短缺與環(huán)境污染問題已成為我國(guó)亟待解決的2大主要矛盾。

　　傳統(tǒng)的土壤污染修復(fù)方法以物理、化學(xué)修復(fù)方法為主, 如換土法、熱處理法、電動(dòng)修復(fù)法、淋溶法等。物理、化學(xué)修復(fù)法從后期的修復(fù)效果和實(shí)用性上看，見效快，針對(duì)性強(qiáng), 但能耗大，成本高，且后期回收和處理存在較大困難, 二次污染若處理不當(dāng)則會(huì)造成更為嚴(yán)峻的土壤污染。學(xué)者們一直致力于在降低修復(fù)污染土壤成本的同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生次生污染, 還能產(chǎn)生足夠的能源來支撐整個(gè)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面的研究, 微生物燃料電池(microbial fuel cells, MFCs)給解決能源短缺和環(huán)境污染之間的矛盾帶來了曙光。MFCs具有電池效率高、反應(yīng)條件溫和、生物相容性好、無(wú)污染等特點(diǎn), 在修復(fù)污染土壤的同時(shí)還能產(chǎn)生電能, 為生產(chǎn)和生活提供能源。

　　1 微生物燃料電池的修復(fù)原理

　　微生物燃料電池(MFCs)是一項(xiàng)以電極表面的產(chǎn)電細(xì)菌為催化劑, 把儲(chǔ)存于化合物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。在陽(yáng)極微生物的催化作用下降解有機(jī)物(葡萄糖、乙酸、醋酸鹽、乳酸鹽、丁酸鹽及污染廢水，如食品廢水、生活污水、養(yǎng)豬廢水、化工廢水、啤酒廢水等)，產(chǎn)生電子和質(zhì)子, 產(chǎn)生的電子傳遞到陽(yáng)極, 經(jīng)外電路到達(dá)陰極, 由此產(chǎn)生外電流; 產(chǎn)生的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜(PEM)到達(dá)陰極, 在陰極與電子、氧化物(鐵氰化鉀、氧氣、空氣、硝酸鹽等)發(fā)生還原反應(yīng), 從而完成電池內(nèi)部的電荷傳遞。

　　依據(jù)微生物的營(yíng)養(yǎng)類型分類, MFCs可分為異養(yǎng)型MFCs、光能異養(yǎng)型MFCs和沉積物型MFCs。光能異養(yǎng)型MFCs指MFCs中的光能異養(yǎng)菌利用光能及碳源為底物; 異養(yǎng)型MFCs指厭氧菌利用有機(jī)物作為底物產(chǎn)生電能; 沉積型MFCs指微生物利用沉積物與液相之間的電勢(shì)差產(chǎn)生電能。

　　MFCs按外形分類, 可分為單室MFCs、雙室MFCs和三室MFCs。一般單室MFCs庫(kù)侖效率較低, 而雙室MFCs構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單, 接近于化學(xué)燃料電池, 需要一張質(zhì)子膜將陽(yáng)極室和陰極室分隔開來, 易于改變運(yùn)行條件, 且?guī)靵鲂矢?。目前的雙室MFCs又分為矩形式、雙瓶式、平盤式及升流式等。

　　MFCs在環(huán)境修復(fù)方面的應(yīng)用范圍越來越大, 應(yīng)用前景也越來越廣。英國(guó)植物學(xué)家POTTER于1911年提出利用微生物作為燃料電池催化劑這一概念。MFCs應(yīng)用于污水的處理技術(shù)已經(jīng)日趨成熟, 目前研究者試圖將MFCs應(yīng)用于海底的沉積污泥、生活污水和有機(jī)污泥的處理, 同時(shí)直接獲得電能, 從污水凈化到廚余垃圾處理, 再到污染土壤修復(fù)。MFCs對(duì)污染土壤的修復(fù)剛剛起步, 還處于不斷研究和探索階段。

　　2 修復(fù)污染土壤的應(yīng)用進(jìn)展

　　土壤污染按污染類型可分為有機(jī)污染、重金屬污染、非重金屬無(wú)機(jī)污染3種污染類型。傳統(tǒng)的土壤污染修復(fù)方法以物理、化學(xué)修復(fù)方法為主, 如換土法、熱處理法、電動(dòng)修復(fù)法、淋溶法等。新型的修復(fù)技術(shù)則以新型納米材料和超富集植物、微生物修復(fù)為主。近年來, MFCs也逐漸從污水、垃圾治理轉(zhuǎn)向污染土壤和沉積物的治理。

　　2.1 有機(jī)污染土壤

　　有機(jī)污染土壤以石油烴、多環(huán)芳烴、苯酚、氮雜環(huán)化合物、農(nóng)藥化肥中的菲和芘、二苯并噻吩等污染為主。近年來, 相關(guān)研究者逐漸認(rèn)識(shí)到MFCs修復(fù)有機(jī)污染土壤的效率有限, 而其內(nèi)部產(chǎn)生的各種細(xì)菌對(duì)提高治污效率有獨(dú)特作用, 陽(yáng)極表面產(chǎn)電細(xì)菌的種類和數(shù)量多少關(guān)系著整個(gè)體系的運(yùn)行狀況, 從而使MFCs體系中的細(xì)菌成為研究熱點(diǎn)。YU等發(fā)現(xiàn)MFCs的產(chǎn)電細(xì)菌富集在陽(yáng)極表面, 以地桿菌屬為主。MFCs產(chǎn)電量和多環(huán)芳烴去除率都隨著電極間距的減小而增大, 在4~10 cm電極間距范圍內(nèi), 由于電流刺激了產(chǎn)電細(xì)菌的生長(zhǎng), 產(chǎn)電細(xì)菌數(shù)量極其豐富。鄧歡等研究發(fā)現(xiàn)MFCs能夠顯著降低甲烷排放。在水稻生長(zhǎng)過程中, MFCs產(chǎn)生的電流量和土壤甲烷排放通量都在分粟期逐步達(dá)到峰值, 并且運(yùn)行MFCs顯著降低了苗期和分粟期甲烷累積排放通量, 這個(gè)現(xiàn)象可能與活躍的產(chǎn)電菌和產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)土壤有機(jī)底物有關(guān)。研究者們從發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極表面富集產(chǎn)電細(xì)菌這一規(guī)律開始, 就對(duì)產(chǎn)電細(xì)菌如何影響降解效率進(jìn)行了更為細(xì)致的探索。HU等對(duì)微生物群落厭氧污泥進(jìn)行馴化富集, 在幾個(gè)月內(nèi)提高陽(yáng)極室的產(chǎn)電菌數(shù)量, 降低其他厭氧發(fā)酵微生物的形成過程。MFCs對(duì)每種氮雜環(huán)化合物底物的COD去除率分別為90.4%和88.5%。除了對(duì)污泥進(jìn)行馴化富集來增加產(chǎn)電細(xì)菌數(shù)量外, 直接添加一系列菌劑, 通過代謝提高生物降解也是一個(gè)好方法。ADELAJA等使用最佳菌劑厭氧消化污泥與銅綠假單胞菌(MCP), 菲降解率為27.30 μm?d-1, 最大功率密度為1.25 mW?m-2, 菲的COD去除率為65.6%。

　　除了與其內(nèi)部的各種細(xì)菌密切相關(guān)外, MFCs修復(fù)有機(jī)污染土壤另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是提升底物有機(jī)質(zhì)含量, 而受石油污染的土壤、底泥、沉積物中富含大量有機(jī)質(zhì), 能夠?yàn)镸FCs體系的持續(xù)運(yùn)行提供動(dòng)力, 緩解了體系動(dòng)力不足的矛盾, 因此修復(fù)石油污染環(huán)境亦成為研究的一大熱點(diǎn)。MORRIS等對(duì)沉積物MFCs進(jìn)行了測(cè)試, 以確定電子從受污染的沉積物厭氧區(qū)轉(zhuǎn)移到上覆有氧水可以促進(jìn)和增強(qiáng)有氧的總石油碳?xì)浠衔?TPH)的降解。經(jīng)過約66 d的實(shí)驗(yàn), 開路控制泥沙MFCs和泥沙活躍MFCs總石油烴的降解率分別為2%和24%。因此, 將MFCs技術(shù)應(yīng)用于修復(fù)污染沉積物, 可以使天然生物降解能力提高近12倍。WANG等發(fā)現(xiàn)石油污染物降解率和土壤含水率也有一定關(guān)系。他將U型土壤MFCs插入石油污染鹽堿土壤, 并研究其修復(fù)效果, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)增加土壤含水量時(shí), 石油降解菌活性受到生物電流的刺激, 土壤的電阻明顯減小, 小于1 cm深度的土壤中總石油烴降解率增加120%。為增加底物中的有機(jī)質(zhì), LI等添加葡萄糖作為系統(tǒng)的一個(gè)基質(zhì), 實(shí)驗(yàn)表明土壤MFCs的電荷輸出提高262%, 總石油烴降解率與未添加葡萄糖相比提高200%。

　　學(xué)者們對(duì)MFCs異位修復(fù)有機(jī)污染土壤進(jìn)行研究的同時(shí), 也對(duì)污染土壤或沉積物的原位修復(fù)進(jìn)行了探索, 發(fā)現(xiàn)有機(jī)污染物的厭氧降解一般比好氧條件下慢。針對(duì)有機(jī)污染物對(duì)缺氧土壤的原位修復(fù)作用, 構(gòu)建了插入式土壤MFCs, 并將其插入淹水土壤中, 以提高苯酚的生物降解性, 同時(shí)產(chǎn)生電能。閉路操作條件下, MFCs運(yùn)行10 d后, 苯酚去除率為90.1%, 但在開路和非MFCs條件下降解率分別僅為27.6%和12.3%。在閉路條件下, 苯酚每天的降解速率常數(shù)為0.390, 約為非MFCs條件下的23倍。

　　2.2 重金屬污染土壤

　　隨著有色金屬的冶煉、礦山的開采以及各種金屬制品的增多, 伴隨大氣沉降、污水灌溉、農(nóng)藥施用、金屬?gòu)U棄物的堆放, 土壤重金屬污染面積越來越大，污染越來越嚴(yán)重，污染成分也越來越復(fù)雜。重金屬以其在土壤中難降解、毒性強(qiáng)、具有積累效應(yīng)等特征受到科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。土壤重金屬污染物來源廣泛, 類型也多種多樣, 主要的重金屬污染物有銅、鋅、鎳、鉻、砷、鐵等。MFCs最早是用來治理污水中的鉻污染, 對(duì)污水中鉻的還原作用也各有不同。WANG等在間歇模式下利用MFCs技術(shù)對(duì)Cr6+污染廢水進(jìn)行處理, 利用合成的Cr6+廢水作為陰極, 厭氧微生物作為陽(yáng)極催化劑,ρ(鉻)為100 mg?L-1的廢水在150 h內(nèi)鉻被完全去除(初始pH值為2), 這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了產(chǎn)電和鉻還原同步進(jìn)行的可能性。MFCs修復(fù)含鉻污水的成功經(jīng)驗(yàn)讓學(xué)者們萌發(fā)了將MFCs用于治理鉻污染土壤的想法并證明了其可行性。HABIBUL等研究了MFCs修復(fù)不同濃度鉻污染土壤的效果，發(fā)現(xiàn)最高去除率可達(dá)99%, 且鉻的去除率隨污染土壤中初始鉻濃度的增加而增加。此外, 除了初始鉻濃度的影響, 土壤類型和外部電阻都對(duì)鉻污染的去除效率有不同程度的影響。WANG等通過實(shí)驗(yàn)證明了土壤類型和外部電阻對(duì)電流效率和鉻的去除率均有顯著影響, 減少外部阻力才能提高重金屬鉻的去除率。而紅色土壤建立的MFCs與潮土相比表現(xiàn)出較高的去除效率和較強(qiáng)的電流效率, 這意味著紅色土中可能含有更多的電子受體，能與Cr6+發(fā)生還原反應(yīng)。含鉻污水的治理和鉻污染土壤的修復(fù)有很多相似之處, 可以借鑒含鉻污水的治理經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)MFCs對(duì)鉻污染土壤的修復(fù), 從而保證MFCs修復(fù)鉻污染土壤的持續(xù)有效性。

　　此外, 銅污染廢水和土壤中銅的回收利用亦受到很多學(xué)者的關(guān)注。不同學(xué)者構(gòu)建的MFCs體系也存在差異。印霞棐等設(shè)置了電極材料和陽(yáng)極底物分別為石墨和有機(jī)廢水, 厭氧菌種為厭氧活性污泥, 陰極液為含銅廢水, 從而構(gòu)建了雙室MFCs反應(yīng)器。MFCs對(duì)含銅廢水的平均降解率可達(dá)80%左右, 特別是連續(xù)MFCs對(duì)銅離子的降解率最高可達(dá)99%以上。梁敏等則以剩余污泥為陽(yáng)極底物, 硫酸銅溶液為陰極溶液構(gòu)建了雙室MFCs, 對(duì)銅污染進(jìn)行治理, 剩余污泥中銅離子去除率達(dá)97. 8%。實(shí)驗(yàn)證明其陰極最終的還原產(chǎn)物與陰極還原能力的強(qiáng)弱密切相關(guān), 陰極還原力較弱時(shí), 大部分銅離子被還原為氧化銅, 小部分銅離子以Cu4(OH)6SO4形式析出。而陰極還原力較強(qiáng)時(shí), 大部分銅離子被還原為單質(zhì)銅, 極小部分銅離子被還原為氧化銅。WANG等通過實(shí)驗(yàn)得到的最大電壓為539 mV, 最大力量密度為65.77 MW?m-2, 證明銅的遷移、發(fā)電和土壤pH值以及電極值的變化密切相關(guān)。

　　除了鉻和銅污染土壤外, 鐵、鉛、鋅和鎘污染土壤也受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。CHEN等將三室MFCs的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用于受鋅和鎘污染的水稻土修復(fù), 經(jīng)過78 d的運(yùn)行, 去除鋅12 mg和鎘0.7 mg, 這表明電流產(chǎn)生的MFCs能顯著去除土壤中的重金屬。HABIBUL等發(fā)現(xiàn)微生物在土壤中通過氧化有機(jī)物產(chǎn)生電能, 土壤中鎘和鉛濃度在修復(fù)后由陽(yáng)極向陰極逐漸增加。經(jīng)過約143和108 d的運(yùn)行, 鎘和鉛在陽(yáng)極的去除率分別為31%和44.1%。土壤性質(zhì)(如pH值和土壤電導(dǎo)率)也重新分布, 從陽(yáng)極到陰極出現(xiàn)順序排列。MFCs產(chǎn)生的電能與微生物氧化有機(jī)物有關(guān), 而其氧化還原速率影響著降解效率。HEIJNE等對(duì)此做了深入探究。他們將雙極膜與鐵還原相結(jié)合, 石墨作為陰極電極建立了MFCs系統(tǒng), 最大功率密度為0.86 W?m-2, 回收率為80%~95%, 庫(kù)侖效率和能量為29%, 并通過實(shí)驗(yàn)證明鐵可以通過質(zhì)子交換從雙極膜中可逆去除, 陰極的氧還原速率是MFCs性能的限制因素。

　　2.3 非重金屬無(wú)機(jī)污染土壤

　　非重金屬無(wú)機(jī)污染以各種酸、堿、鹽類、硫化物和鹵化物等污染為主, 主要是由大氣沉降和污水灌溉等途徑進(jìn)入土壤。硫化物不僅會(huì)侵蝕建筑物和雕塑, 破壞文物古跡, 還會(huì)影響人體健康和農(nóng)作物生長(zhǎng), 也會(huì)形成酸雨, 以降水形式進(jìn)入土壤, 危害人體健康和農(nóng)作物的安全, 土壤中硫化物更是不能自行降解, 危害十分嚴(yán)重且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。ZHAO等對(duì)土壤中硫的降解進(jìn)行研究, 用復(fù)合陽(yáng)極(活性炭布+碳纖維紗)設(shè)置了MFCs, 從22 ℃廢水中除去1.16 g亞硫酸鹽和0.97 g硫代硫酸鹽, 去除率分別為91%和86%。在處理含硫廢水的基礎(chǔ)上, 張海芹等從泥水比、外接電阻、投加有機(jī)質(zhì)含量以及曝氣量等幾個(gè)方面的工藝參數(shù)對(duì)沉積物MFCs進(jìn)行優(yōu)化, 得到最優(yōu)工藝條件為1:1泥水比、500 Ω外接電阻、0.3 g?L-1無(wú)水乙酸鈉投加量和0.25 L?min-1的曝氣量。實(shí)驗(yàn)證明, 在水稻田中構(gòu)建MFCs可以降低水稻土中水和土壤各層中的硫濃度, 對(duì)水稻的生長(zhǎng)有明顯促進(jìn)作用。通過把土壤中硫離子氧化成單質(zhì)硫或更高價(jià)態(tài)硫, 可以降低土壤中硫濃度, 減弱硫離子對(duì)水稻生長(zhǎng)的毒害, 在產(chǎn)生電能同時(shí)還能促進(jìn)水稻生長(zhǎng)。VIJAY等建立了一種由牛糞和水果廢料組成陽(yáng)極、由牛糞和土壤組成陰極的高效反硝化MFCs, 其硝酸鹽去除量高達(dá)(7.1±0.9) kg?m-3。

　　比較MFCs修復(fù)有機(jī)污染、重金屬污染及非重金屬無(wú)機(jī)污染土壤的降解率及影響因素可知, MFCs對(duì)有機(jī)污染土壤的修復(fù)率較高, 平均降解率達(dá)84.3%, 對(duì)有機(jī)污染土壤所涉及的影響因素研究也較多, 研究的廣度和深度也大。而MFCs對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)率最低, 平均降解率為42.2%, 僅為有機(jī)污染降解率的一半。MFCs修復(fù)污染土壤的降解率受土壤類型、性質(zhì)以及MFCs設(shè)置等因素的影響, MFCs對(duì)土壤中有機(jī)污染降解率更高, 比較適合用于有機(jī)污染土壤的修復(fù), 而對(duì)于重金屬污染土壤的降解效果略差。

　　3 影響MFCs修復(fù)效果的因素

　　相對(duì)于污水治理而言MFCs修復(fù)污染土壤更為復(fù)雜, 影響因素也更多, 而且還包含著許多無(wú)法人為改變的客觀因素(如土壤內(nèi)部阻力約為水阻力的10倍)。制約MFCs修復(fù)效果的因素主要有操作條件(兩極材料、電極尺寸、排列方式、兩極間距、添加劑及外部阻力等)和土壤性質(zhì)(土壤類型、NH4+含量、含水量、pH值、含砂量、黏性、顆粒大小及土壤微生物活性等)等。

　　3.1 操作條件

　　MFCs系統(tǒng)設(shè)置的不同對(duì)污染土壤修復(fù)效率的影響較大, 尤其表現(xiàn)在兩極材料的選擇和制作以及兩極的擺放和間距上。關(guān)于MFCs操作條件的設(shè)置, 許多學(xué)者給出了不同的嘗試。陰極材料的使用從貴金屬鉑到PbO2、四甲氧基苯基鈷卟啉(CoTMPP)、碳基材料再到經(jīng)優(yōu)化的石墨烯, 其功率密度不斷提高, 污染物去除率也不斷提升。

　　MFCs的陰極催化劑初始是以貴金屬鉑為主, 但由于其價(jià)格昂貴, 不適用于大面積或大數(shù)量的使用。MORRIS等在雙室MFCs中比較了二氧化鉛(PbO2)與鉑(Pt)的催化能力, 發(fā)現(xiàn)與Pt涂層陰極相比, PbO2涂層陰極電池功率密度提高4倍, 平均每生產(chǎn)單位功率的花費(fèi)降低50%, 但是陰極的鉛滲漏是一個(gè)潛在危害, 限制了PbO2作為催化劑在陰極中的應(yīng)用, 可通過改進(jìn)涂層技術(shù)和黏合材料來打破這個(gè)限制, 提髙催化劑的穩(wěn)定性。CHENG等利用CoTMPP代替珍貴的Pt催化劑, 將陰極功率密度提高0.6 mA?cm-2, 但是在低電流密度下, 功率密度降低(< 40 mV)。目前, 陰極和陽(yáng)極都主要由碳基材料組成, 如碳纖維布、碳?xì)帧⑹艉皖w?；钚蕴俊U等建立了一個(gè)MFCs體系, 將半徑為84 mm、厚度為3 mm的圓形活性炭纖維氈片作為兩極。黃力華在鑄膜液中加入經(jīng)優(yōu)化的石墨烯并刮涂在不銹鋼網(wǎng)和聚酯無(wú)紡布上, 通過相轉(zhuǎn)化法制備得到導(dǎo)電G-FM膜陰極, 將其應(yīng)用于MFC-MBR耦合式反應(yīng)器中, G-FM兼作微濾膜和陰極。采用G-FMclosed反應(yīng)器處理模擬生活污水, COD、NH3-N和TN去除率分別達(dá)(96.6±3.9)%、(95.8±5.7)%和(94.7±5.2)%, 并同步輸出221 mV的電壓。

　　除了兩極材料本身對(duì)MFCs性能的影響外, 外源影響也不容小覷。添加外源葡萄糖以及預(yù)先用丙酮清洗并水封陽(yáng)極都使土壤MFCs的陽(yáng)極性能得到進(jìn)一步提升。LI等添加葡萄糖作為系統(tǒng)的一個(gè)基質(zhì), 總石油烴降解率與未添加相比提高200%。研究表明, 外源性碳源提高生物電，輔助降解石油烴, 為從土壤貧瘠的地區(qū)或極端環(huán)境去除污染物提供了一種有效的方法。預(yù)先將陽(yáng)極用丙酮進(jìn)行清洗并水封土壤，MFCs的歐姆內(nèi)阻下降52%, 電導(dǎo)率升高1倍; 在啟動(dòng)后的120 h內(nèi), 最大電壓和累計(jì)產(chǎn)出電量分別達(dá)189 mV和36 C, 與對(duì)照相比分別增加20和29倍。陽(yáng)極尺寸的大小影響著系統(tǒng)中各類電阻的大小, 且關(guān)系著陽(yáng)極微生物附著面積的大小, 與陽(yáng)極氧化反應(yīng)的進(jìn)行有著密不可分的聯(lián)系。產(chǎn)電微生物數(shù)量的多少和電極附著接觸幾率的大小都隨著陽(yáng)極面積的增大而增加, 從而可使產(chǎn)電量得到提高。但電極尺寸增大也意味著電極阻力增大, 又阻礙了電量的產(chǎn)生。陰極面積的增大可以增大電極與氧的接觸面積, 增加電子受體濃度, 但尺寸對(duì)氧電位的影響是有限的。IM等在電極尺寸測(cè)試中產(chǎn)生的最大電壓和功率密度分別為291 mV和0.34 mW?m-3。當(dāng)陽(yáng)極和陰極面積都為64 cm2、兩極間距為4 cm時(shí), 最大電壓下降19%~29%, 當(dāng)陽(yáng)極和陰極面積都減小到16 cm2時(shí), 電壓僅降低3%~12%。最大電壓隨著陽(yáng)極尺寸的減小而減小, 當(dāng)陰極尺寸減小29%~47%時(shí), 功率密度降低49%~68%。這些結(jié)果表明陽(yáng)極面積變化比陰極面積變化對(duì)電壓的影響更為顯著。

　　MFCs體系中, 陽(yáng)極的橫向或縱向排列也會(huì)影響其運(yùn)行效率和降解能力。ZHANG等對(duì)MFCs陽(yáng)極的排列方式進(jìn)行了研究, 實(shí)驗(yàn)設(shè)置水平和縱向2種排列方式, 發(fā)現(xiàn)總石油烴(TPH)含量高達(dá)12.5%的土壤經(jīng)過135 d的實(shí)驗(yàn)之后, 在閉合控制下陽(yáng)極水平排列總石油烴(TPH)去除率高達(dá)50.6%, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于縱向排列(8.3%), 在斷開控制下陽(yáng)極水平排列去除率達(dá)95.3%, 也遠(yuǎn)高于縱向排列(6.4%)。分析表明, 陽(yáng)極水平排列中的烷烴和多環(huán)芳烴的降解率均高于縱向排列, 水平排列電子輸運(yùn)阻力也比縱向排列低。陽(yáng)極水平排列增強(qiáng)了碳?xì)浠衔锏纳锝到夂蜕傻碾姾? MFCs陽(yáng)極的水平排列發(fā)展空間很大。

　　兩極間距的大小與MFCs內(nèi)部電阻的大小密切相關(guān), MFCs的內(nèi)部電阻會(huì)隨電極間距的增大而增大, 輸出功率也隨之降低。YU等將各種封閉型反應(yīng)器電極間距設(shè)為4、6、8和10 cm，輸出的電壓分別為294、249、241和230 mV。當(dāng)電極間距在4到10 cm之間時(shí), 越靠近電極位置的土壤, 多環(huán)芳烴的去除效率就越高。研究發(fā)現(xiàn)隨著電極間距的減小, 發(fā)電量和多環(huán)芳烴的去除量都增加。雖然改變電極間距會(huì)影響系統(tǒng)內(nèi)阻, 陽(yáng)極產(chǎn)生的質(zhì)子傳遞到陰極發(fā)生還原反應(yīng), 質(zhì)子傳遞的阻力將隨著距離的增加而增加, 但是電極距離過小又無(wú)法保證陰陽(yáng)兩極各自獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境。田靜也設(shè)置了不同的電極間距, 研究其產(chǎn)生的電壓大小和污染物去除率之間的關(guān)系, 并得出了類似結(jié)論。當(dāng)電極間距分別為4、6、8和10 cm, MFCs電壓值分別為(285±5)、(249±5)、(241±5)和(230±5) mV。實(shí)驗(yàn)證明土壤厚度的增加加大了傳遞質(zhì)子的阻力, 電池的電壓和功率密度也變小, 對(duì)污染物的去除率也隨之減小。而隨著電極間距的逐漸變小, MFCs的產(chǎn)電性能及污染物降解率均得到逐步提高。

　　MFCs外部阻力的大小可調(diào)節(jié)電流密度的大小, 且影響其對(duì)污染物的去除效率。ZHANG等研究了外部電阻對(duì)系統(tǒng)性能的影響, 在0~200 Ω范圍內(nèi)電流密度隨外部電阻的增加而減少。在給定的反應(yīng)時(shí)間(16 h)內(nèi), 脫色率和礦化效率在0~5 Ω之間無(wú)顯著差異, 且2種阻力的去除率均在99%以上, 但當(dāng)外部阻力大于50 u時(shí), 其差異逐漸增大。WANG等發(fā)現(xiàn)外部電阻顯著影響電流大小, 影響陰極效率和鉻的去除效率, 降低外部電阻可提升污染物去除效率。不同土壤類型之間的修復(fù)效率不同, 但可以通過降低外部阻力來改善。

　　3.2 土壤性質(zhì)

　　作為MFCs的導(dǎo)電介質(zhì), 不同土壤類型導(dǎo)電率也存在差異, 加之土壤本身內(nèi)部阻力大, 導(dǎo)電率比以水為介質(zhì)低10倍。MFCs修復(fù)污染土壤需要一定的動(dòng)力, 馴化和培養(yǎng)合適的底物, 培養(yǎng)產(chǎn)電細(xì)菌, 使其擁有較為持續(xù)的電力供應(yīng)。同時(shí), 土壤類型的差異影響著土壤性質(zhì), 影響土壤中產(chǎn)電細(xì)菌的種類和數(shù)量, 從而直接影響MFCs的性能。WANG等研究發(fā)現(xiàn), 高性能的MFCs由高濃度DOC和高濃度NH4+的水田土壤以及陽(yáng)極高產(chǎn)電細(xì)菌(δ-變形菌綱)組成, 而低性能的MFCs則由低DOC和低濃度NH4+的土壤以及低產(chǎn)電細(xì)菌群落(β-變形菌綱)組成。YUAN等的研究結(jié)果表明, 單室MFCs與水稻土共同作用, 使陽(yáng)極上的硝基螺旋藻和厭氧繩菌綱顯著富集, 并產(chǎn)生了顯著的富集效果。

　　4 應(yīng)用與前景分析

　　目前國(guó)內(nèi)有關(guān)MFCs在土壤修復(fù)治理中的應(yīng)用案例較少。通過對(duì)MFCs治理修復(fù)污染土壤的應(yīng)用與前景的分析, 可為相關(guān)研究工作提供借鑒。在我國(guó), 礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用對(duì)社會(huì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。我國(guó)金屬礦產(chǎn)貧礦多富礦少, 小型礦多大型礦少, 伴生礦多單一礦種少, 這一現(xiàn)狀增加了礦產(chǎn)開采的難度, 從而加大了“三廢”的排放量, 是我國(guó)環(huán)境污染比較嚴(yán)重的產(chǎn)業(yè)之一。在礦產(chǎn)的開發(fā)和加工過程中, 由于技術(shù)設(shè)備落后、監(jiān)管不力等原因造成“三廢”的任意排放, 尤其是尾礦的堆積, 在堆放區(qū)周圍形成較大面積重金屬污染土壤, 生態(tài)問題令人堪憂。尾礦中大量的重金屬和其他有毒有害物質(zhì)會(huì)通過大氣環(huán)流、水循環(huán)等途徑擴(kuò)散至周邊的村莊、河流、農(nóng)田等, 導(dǎo)致農(nóng)田嚴(yán)重減產(chǎn)或失收, 影響居民的生產(chǎn)和生活。同時(shí), 重金屬還會(huì)通過食物鏈在生物體內(nèi)蓄積, 危害人體健康。實(shí)驗(yàn)證明MFCs在治理重金屬污染和有機(jī)污染土壤方面均有很好的應(yīng)用前景, 在產(chǎn)生電能的同時(shí)還能治理污染物, 具有能耗低、來源廣、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。MFCs技術(shù)的應(yīng)用可給重金屬污染土壤和有機(jī)污染土壤的治理帶來新的技術(shù)選擇。

　　MFCs的研究大部分從其體系的運(yùn)行影響因素入手, 多著眼于如何改善MFCs性能, 提高其對(duì)土壤的修復(fù)和產(chǎn)電能力。但MFCs修復(fù)污染土壤產(chǎn)生的電流小，土壤導(dǎo)電率低, 電流所能涉及的范圍也小, 僅靠近兩極地區(qū)修復(fù)效果強(qiáng)。MFCs修復(fù)污染土壤大部分以實(shí)驗(yàn)室異位修復(fù)為主, 在全球超大面積污染土壤面前顯得杯水車薪。如何將MFCs應(yīng)用于大面積污染土壤的修復(fù), 增大其有效的修復(fù)面積, 值得學(xué)者們進(jìn)行深入研究。所以, 將MFCs與大面積污染土壤原位修復(fù)的實(shí)踐相結(jié)合, 還需要眾多研究者的不懈努力和探索。