《Powder Technology》：Electrochemical performance of stacked gas-liquid-solid fluidized bed microbial fuel cell based on dual anode chambers
编辑推荐：
本文设计了一种双阳极室堆叠气-液-固流化床微生物燃料电池（DASFB-MFC），通过优化液体流速（0.036 m/s）、颗粒填充率（20%）和 superficial gas velocity（0.03 m/s），实现最大功率密度1105 mW/m2和COD去除效率96.6%，较传统单室及堆叠结构提升2-3倍输出功率，为废水处理与能源回收提供新方案。
作者：Lou Zhu, Chao Han, Bing Gan, Yangfan Song, Hongwei Chen, Fanghao Zhong, Chao Zhao
华北电力大学储能与综合能源系统河北省重点实验室，中国河北省保定市 071003
摘要
为了提高微生物燃料电池（MFC）的电化学性能，设计并构建了一种双阳极室堆叠的气-液-固流化床MFC（DASFB-MFC）。该配置引入了两个空间分离的阳极室，并采用混合并联-串联堆叠模式，从而实现各个阳极单元之间的协调输出。通过一系列实验研究了堆叠模式、液体流速、颗粒填充率和表面气体流速对DASFB-MFC电化学性能和处理效果的影响。在优化条件下（液体流速=0.036 m/s，颗粒填充率=20%，表面气体流速=0.03 m/s），系统实现了1105 mW/m2的最大功率密度和96.6%的COD去除率。与传统的AFB-MFC和其他堆叠配置相比，DASFB-MFC的功率输出高出2-3倍，显示出更优越的整体性能，并在可扩展的废水处理和能量回收方面具有巨大潜力。
引言
随着对化石燃料枯竭和环境退化的担忧日益增加，人们对能够同时解决能源生产和废水处理的可持续技术的需求也在增长[1]。微生物燃料电池利用电活性微生物将有机污染物转化为电能，成为一种有前景的解决方案[2][3][4]。通过将生物氧化与电化学能量转换相结合，MFC为可再生能源的产生提供了独特途径，同时减少了废水中的有机负荷。这种双重功能使MFC成为开发环保和高效废水处理系统的宝贵技术[5][6]。
近年来，MFC的研究主要集中在以下领域：（1）废水处理与能量回收的协同作用[7][8]；（2）电极材料和配置的优化[9][10]；（3）反应器系统设计和放大实施[11][12]；（4）与多能源系统的集成[13][14]；（5）微生物群落的选择、优化和工程化[15][16]。这些研究努力共同推动了技术创新，并扩展了MFC在能源和环境领域的应用潜力。
目前，MFC技术已被广泛用作废水处理的新兴方法[17][18][19][20]。然而，传统的MFC系统通常功率输出低且处理周期长，这严重限制了其工程可扩展性和工业应用潜力[21][22]。为了解决这些问题，研究人员将流化床技术引入MFC反应器中，开发出了新型的废水处理方法——厌氧流化床微生物燃料电池（AFB-MFC）[23][24]。该系统通常由阳极室、阴极室、质子交换膜和悬浮的微生物载体颗粒组成。在运行过程中，微生物附着在载体颗粒表面，并随液体流动在阳极室内循环，从而增强了微生物、底物、电子受体和电极之间的接触界面。这种配置显著提高了传质效率和电子转移速率。与传统静态阳极配置相比，AFB-MFC表现出更优越的反应性和能量转换性能[25]。Zhang等人[26]研究了使用各种高表面积阳极（包括通过电化学合成制备的复合膜阳极）处理有机厨房废水的性能。结果表明，含有5%多壁碳纳米管的复合膜具有许多表面突起和折叠，为微生物附着和生物膜形成提供了有利的环境。同样，使用多孔碳布和高表面积碳刷阳极也获得了相对较高的输出电压。此外，在系统启动前对阳极进行微生物预涂层处理显著缩短了MFC的启动时间。Niu等人[27]在AFB-MFC系统中使用大孔树脂颗粒作为流化载体来处理煤化工废水。微生物群落分析显示，Acinetobacter、Aeromonas、Pseudomonas和Thiobacillus是系统中的优势菌属。这些微生物种群之间的协同作用促进了污染物的降解和电能的产生。此外，通过等温吸附量热法和分子动力学模拟相结合的方法阐明了煤基废水中有机污染物的降解途径。
尽管AFB-MFC在有机废水处理领域取得了显著进展，但单个单元的输出电压和功率密度仍然相对较低[28][29][30]。这一限制成为满足大规模应用能源需求的重要障碍，从而阻碍了该技术的更广泛部署。因此，通过多单元堆叠来提高整体系统性能和运行稳定性已成为AFB-MFC持续发展的关键焦点。Liu等人[31]构建了一种改进的厌氧挡板堆叠微生物燃料电池，用于同时去除硫化物和回收能量。在初始硫化物浓度为60 mg/L、COD浓度为800 mg/L和水力停留时间（HRT）为24 h的条件下，该系统实现了70.0%的硫化物去除率和54.6%的COD去除率。串联配置下的峰值输出电压达到2340 mV，而在1000 Ω的外部电阻下并联模式下的最大电流输出为3.29 mA。George等人[32]发现，实时动态重新配置MFC堆中的电气连接可以显著提高超级电容器的充电效率。通过最初使用更多的并联连接，然后逐渐切换到串联配置，系统实现了更快的能量存储，而无需复杂的电路。结果表明，增加MFC单元的数量可以扩展配置选项并提高充电灵活性。Estrada等人[33]开发了一种由40个独立空气-阴极单元组成的堆叠MFC系统，用于处理生活废水。该系统分为四个模块，每个模块中的电池共享相同的电解质。当串联连接时，堆栈实现了2500 mW/m2的最大功率密度和500 mA/m2的电流密度。
基于以往的研究，本工作提出了一种新型的双阳极室堆叠气-液-固流化床微生物燃料电池。该系统具有两个空间分离的阳极室，使各个单元之间的输出协调，而混合并联-串联堆叠模式提高了电压和电流性能。气-液-固流化的引入进一步改善了传质并促进了微生物活性，从而提高了电化学性能和废水处理效率。通过一系列对比实验研究了关键参数（包括MFC堆叠模式、液体流速、表面气体流速和颗粒填充率）对系统电化学性能的影响。这种多相反应系统的集成为MFC的结构优化和性能提升提供了新的见解，并为其在未来废水处理和能量回收中的应用提供了理论基础。
实验装置
图1展示了DASCB-MFC系统的示意图。反应器的阳极室由两个相同的气-液-固流化床组成，每个流化床由高度为1.0 m、内径为0.08 m的圆柱形丙烯酸柱构成。每个阳极室内放置了两根碳棒作为阳极电极，外部通过法兰连接安装了空气阴极。每个MFC单元是通过电连接一对阳极和阴极形成的。
MFC堆叠模式对系统的影响
图4(a)和图4(b)分别展示了案例#1–4的U_p和R_c的时间曲线。如图4(a)所示，在所有操作条件下，电压变化遵循三阶段模式：（1）0–1/4 T（启动阶段），反应器输出电压迅速上升至峰值；（2）1/4 T–3/4 T（稳定发电阶段），特征是持续的高电压（主要能量产生期）；（3）3/4 T–T（下降阶段），电压由于...
结论
本研究设计并开发了一种双阳极堆叠气-液-固流化床微生物燃料电池，以改善传统MFC系统的电化学性能。通过一系列实验研究了MFC堆叠模式、液体流速、颗粒填充率和表面气体流速对系统发电和废水处理效率的影响。本研究得出的主要结论如下：
(1) 双阳极室...
CRediT作者贡献声明
Lou Zhu：撰写 – 原稿撰写，实验研究。Chao Han：实验研究，数据分析。Bing Gan：资源协调。Yangfan Song：撰写 – 审稿与编辑，监督。Hongwei Chen：数据验证。Fanghao Zhong：数据管理。Chao Zhao：软件开发。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号52476152）、河北省自然科学基金（编号E2023502067）、河北省教育厅科研项目（编号BJK2024065）和中央高校基本科研业务费（编号2025MS119）的支持。
