文献综述
1.课题研究的现状及发展趋势
党的十九大提出，建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计，把坚持人与自然和谐共生作为新时代坚持和发展中国特色社会主义基本方略的重要内容，把建设美丽中国作为全面建设社会主义现代化强国的重大目标，把生态文明建设和生态环境保护提升到前所未有的战略高度。近几年，在绿色环保、资源利用的时代背景下，我国各地区、政府积极响应号召，加快环境保护，让生态美成为发展主色调，进一步改善生态环境。作为青年大学生，更应树立“保护生态环境就是保护未来”的观念，立足人与自然是生命共同体的科学自然观，用专业知识与技能尽微薄的贡献。
沉积物微生物燃料电池（SMFC）是一个利用产电微生物从底物获得电能的同时去除污染物的新方法，也是一种直接从废水中回收能量的方法。其阳极掩埋在水底沉积物里，将沉积物中的硫化物、腐殖质等还原性污染物作为电子供体，阴极处于上层水体中，可将其中的氧化性污染物作为电子受体[1]。
其作用机理为：阳极材料位于厌氧的水底沉积物中，阴极材料放置于上层好氧水相中，阴极和阳极之间通过导线和外电阻相连接，沉积物中的有机物在阳极区附近被其中的微生物氧化分解，产生的电子传递到阳极，再经过外电路到达阴极，与阴极区中的氧气和从阳极区传递来的质子结合生成水，从而实现去除沉积物中有机污染物与回收能量同时进行的目的[1]。Reimers等在2001年首次提出在深海沉积物中获取能量的 SMFC。目前关于SMFC的研究主要集中在优化系统产电效能、探索有机物降解机制以及对实际工程应用的可行性分析等方面[2]。
SMFC的产电性能受多种因素的影响，包括SMFC的装置大小、阴极溶液的电导率、电极材料和电极间距等[2,3]。而由于环境的复杂性和各异性，在不同的自然环境中，SMFC显示出不同的特征。张海芹研究了以葡萄糖为底物的SMFC的产电效能后提出，此电池具有良好的供电性和稳定性，较适宜的外电阻阻值为1000Omega;，在达到约35℃的最佳工作温度时可稳定输出约0.41mA电流，而温度不仅影响电极电位，还与微生物活性相关。增大阳极的电极表面有利于SMFC电能输出，阳极的位置的改变对电池输出性能的影响不大[4]。
高玉玲等提出[5]为了提高SMFC的产电性能，阳极可选择比表面积较高的碳材料，常用的碳材料为石墨或石墨纤维。另外采用悬浮阴极代替传统的水淹电极，可显著提升去除沉积物中易氧化有机物的速率，且电流的产生和去除沉积物中有机物的速率呈线性关系，故可用该技术在现实运行过程中产生的电流信号实施远程监控，以了解技术的实时运行情况。其中SMFC能量输出效率低的关键因素则是高内阻，而减少电极间距离是降低内阻最有效的方法。
ConradDonovan等[6]研究发现SMFC阳极区有机物的完全去除时间均小于24h，而其产电周期在32～52h范围内。在SMFC运行时，阴阳极电位差约为800~910mV。温度的影响因素同样不容忽视，具有1000Omega;外电阻的SMFC在夏季产生4.23mW/m2的可持续电压，而在冬天或气温低于零下7摄氏度甚至表层水结冰时，产生1.4 mW/m2的可持续电压。一般来说，SMFC的电压在夏季为735plusmn;141 mV，在冬季为562plusmn;100mV[6]。
沉积物中污染物的浓度可间接反映水体的污染程度，故沉积物的污染状况可作为全面衡量水体质量的重要因素。其中硫化物含量的高低作为一项重要指标用来衡量水体底质环境优劣，其对水质、水生生物以及相关人员的健康存在着重要影响。在2002年，美国马萨诸塞大学在研究海底沉积物微生物燃料电池时发现，电能的产生与硫化物的氧化之间关系密切。在2006年，比利时根特大学等报道了一项研究成果，证明微生物燃料电池可以把硫离子转化成单质硫或者更高价硫，以厌氧反应器的出水作为微生物燃料电池的进水，经处理后的硫离子去除率可达近100%。而在2007年，浙江大学邵海波等认为基于需盐脱硫弧菌的微生物燃料电池能良好运行。综上所述，许多研究都已表明，微生物燃料电池阳极把硫离子氧化成单质硫或者更高价硫是可行的[7]。由此可以推断出，将此技术运用在废水处理上，可同步实现有机物去除和电能回收[3]。
以葡萄糖为底物的MFC的作用相当于催化剂，底物微生物利用分解有机物实现自身的生长繁殖，MFC使废水中的COD有效去除。有研究显示，在强化脱氮过程中，通过SMFC来促进沉积物和上层水中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮以及TOC的去除，达到脱氮和去除有机污染物同时实现的目的[3]。
