一、有机废水积攒的环境压力

快速发展所带来的的环境问题是每个国家崛起历程中所必然要面对的，切乎民生的用水安全尤为重要。工业生产用水、漂洗用水、洗涤和其它工业生产流程中产生的废水以及农业生产中大量秸秆等固体废弃物转化的沼液、沼渣，都含有较多有机物^[1]。此类废弃物随意排放，大大增加了水体自净的压力，当自净过程的化学氧化分解和微生物生物化学氧化分解速率不足以应对大量废水的流入时，水体便陷入污染不断加剧的恶性循环^[2]。我国冠以”世界工厂”之名，同时人口众多，农业废弃物以及生活污水产量巨大，各类秸秆垃圾焚烧填埋后的浸出液和食品发酵废液COD含量较高成分复杂^[3]，带来的污染效应严重制约着发展。

二、传统有机废水的处理

物理吸附法是利用流体分子与固体表面分子间的范德华力吸附净水，如常用的活性炭吸附^[4]，此外还有根据有机物带电差异的静电吸附^[5]。然而此类吸附方法随着装置运行时间增加，吸附物的积累，吸附效果会降低，易发生堵塞，并且需要定时清理，设备维护繁琐处理有机废水能力有限。化学氧化法具有代表性的Fenton氧化技术通过Fe2 催化过氧化氢产生#183;OH，其可以氧化降解多种有机物。通过对传统技术的限速步骤Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）循环过程的研究^[6]，Fenton氧化法也将变得更加实用快捷。然而其pH在3左右的适应范围小，对过氧化氢利用不高并需要较多试剂参与，催化用Fe（Ⅱ）的二次污染等问题^[7]并没有在本质上得到解决。因此应运而生了电-Fenton、光-Fenton和其他联用技术的衍生技术。微生物法是通过对有机废水中污染物等进行生物吸附氧化分解的作用达到处理有机废水目的。活性污泥法利用好氧菌在有氧条件下分解有机物以代谢生长繁殖，一并增加活性污泥的量；生物膜利用微生物的附着，依靠其更大的比表面积可以提高处理废水效率；UASB反应器无需曝气，是一类成本更低的厌氧法代表。刘国华等采用一种高效微生物 A/O工艺处理含氨氮和COD较高的焦化废水，治理后外排废水达到GB 13456-92中的二级标准，通过环保部门验收并稳定运行2年以上^[8]。

三、微生物燃料电池处理有机废水

微生物燃料电池（ Microbial fuel cell，MFC）可以通过产电微生物的代谢活动，在分解废水中有机物的同时，将化学能转化为电能。双室MFC由一个厌氧阳极室和一个好氧阴极室组成。微生物附着在厌氧室中氧化物质，电子被外加载体转移到阳极。阳极室和阴极室用质子交换膜连通。双室的优点是可以在阳极和阴极中分别设置参比电极，便于分别对阳极、质子交换膜和阴极进行研究^[9]。

生物方法将化学能转变为电能的关键在于找到高效的产电微生物，不同微生物的分解代谢偏好决定了MFC处理废水中不同成分的性能^[10]。至今已发现的产电微生物有五十多种。变形菌门Geobactor属产电能力很强，然而在MFC接触氧气的环境中生长较差；Shewanella属在MFC中研究较多，代谢方式多样，黄杰勋利用筛选到的5个Shewanella菌株研究，发现Shewanella marisflavi能在高离子强度下利用乳酸盐作为电子供体还原Fe（Ⅲ）和产电，在1146mM离子强度时最大电功率为9.6mW/m^2[11]。厚壁菌门由于细胞壁较厚，阻碍了电子传递，导致产电能力较弱，但是在降解废水中有机物方面能力出众，在生活污水浇灌的植物根部可以筛选^[12]。朱娟平等构建湿地植物-沉积物微生物燃料电池，在细菌群落分析中，3个处理组中都以变形菌门Proteobacteria为优势菌群,其次为绿弯菌门Chloroflexi,在所有菌属中以土杆菌属Geobacter的相对丰度最高，分别占11.50%、14.33%、8.53%,为其优势菌属，但P-SMFC中该菌属的丰度相对较低^[13]。

李小虎等以养殖场沼泥为接种物构建单室无膜微生物燃料电池，投加养殖废水，2个电池最大功率密度分别为208 mW/m²和158 mW/m²，COD去除率分别为85%和78%，氨氮去除率分别为52%和45%，废水臭味去除效果明显，达到了一定的水质净化效果^[14]。周钺针对COD浓度较大的养猪废水建立MFC，调节养猪废水pH为6.5、8.4和10.2时，微生物燃料电池最大输出电压分别为288mV、366mV和450mV,COD去除率为58.4%、60.8%和76.4%^[15]。高秀红等MFC处理垃圾渗滤液与沉积污泥，MFC输出电压呈周期性变化趋势最大输出电压251mV,最大功率密度为10.35 mW/m²，COD、氨氮去除率高达96.18%和80.60%，MLSS、MLVSS去除率分别为24.40%和30.32%，证明了MFC可实现污水净化、污泥减量及产电一体化效果^[16]。

四、研究目的与期望

早在1911年，英国植物学家Potcer用酵母和大肠杆菌的实验中就发现了微生物可以产生电流。随着MFC理论和实验经验的积累，人们开始考虑它在更多领域的应用。利用MFC处理有机废水，将污水变为能源，同时分担了当今时代两大难题。相比纯菌型的MFC，混菌型MFC省时产电稳定，有更高的底物降解率，更低的底物专一性和更高的能量输出效率^[17]。确定不同菌种在MFC中扮演着怎样的角色，为不同种类不同污染物的有机废水选取适应的混菌菌株，对提高MFC处理有机废水能力有着至关重要的意义。本研究将在构建良好产电MFC装置基础上，探索阳极生物膜菌群动态变化的规律，发现废水预处理对微生物和MFC产电能力的影响，为更高效的有机废水燃料电池提供一定的研究基础。