0 引言
当前城市排水系统面临着有害气体超标、内涝频繁等问题，危害管道工作人员的安全，造成巨大经济损失.故建立实时监控报警系统具有重要意义[1].
现有的监控报警系统需要建立无线检测节点，但这些节点电池更换成本高，废弃电池造成环境污染大.微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)利用微生物的呼吸作用降解污水中的有机物，将化学能转换为可利用的电能[2-5]，是一种清洁可再生能源.利用MFC取代蓄电池，实现监控设备的自供能是解决上述问题的最佳方法之一.
本研究基于下水道环境特点，研制水滴状浮标式单室空气阴极MFC反应器，建立用于MFC产电的能量采集和控制电路，研究了MFC处理下水道污水产生电能并驱动排水管网信息无线监控系统的可行性，对城市“智能水网”建设具有实际意义[6-7].
1 实验与方法
1.1 总体设计
本研究系统由MFC、能量采集、能量管理和微处理器控制4个模块组成.系统结构图见图1.
图1 总体结构图
Fig.1 The diagram of general structure
MFC用于给整个系统供电，同时降解排水管污水中的有机污染物.MFC反应器设计成水滴状浮标式结构，保证空气阴极在水位变化时始终位于气固液三相反应界面，同时避免污水流速过大影响MFC的工作性能.能量采集与存储模块通过能量采集芯片BQ25504采集MFC处理污水产生的能量，并将其储存在储能元件中.
能量管理模块通过外部时钟PCF8563控制模拟开关ADG823的通断，进而控制升压稳压芯片TPS610891的使能端，使得系统在工作状态和休眠状态间进行转换，工作状态下负载部分工作，进行监测.休眠状态仅PCF8563和ADG823工作，实现平均低功耗管理.升压稳压芯片TPS610981为PCF8563和ADG823提供稳定的电压.
1.2 MFC模块
1.2.1 MFC装置构造
水滴状漂浮式单室空气阴极MFC结构如图2所示.反应器重心在下半部，始终正向放置并浮于水面.顶部设弹簧挂钩与管道内壁相对固定，连接阴阳极的导线与挂钩组合成束并引出，以连接外部电路.挂钩可维持反应器处于漂浮状态，同时弹簧的使用避免绳状挂钩潜在的缠绕打结问题.上半部设有4个直径为22 mm和15 mm的透气小孔以供空气流通，鳃型孔型可防止污水溅入.底部设有直径分别为45、40、34 mm的透水孔，供污水流通.阴极紧贴在带孔隔板上，边缘密封良好.在外壳紧贴隔板下端处布置若干个透气孔，使阳极室在水面安装布置时可将空气排清.
图2 MFC反应器结构参数图
Fig.2 Structural parameters of MFC reactor
空气阴极由活性炭催化剂、泡沫镍集电体、PTEE粘结剂和PTFE扩散层组成，表面积为160.61 cm2，直径14.3 cm，安装于反应器上半部分的锥体的底部，具有产电性能好、成本低廉等优点，适用于大规模污水处理系统.阳极由多根长度为7.7 cm，直径为2 cm的碳纤维刷组成，微生物附着在阳极上.碳纤维刷呈星形放射状分布，其安装位置在反应器的处于污水中的下半部分球体中，阳极轴线所在平面距离阴极表面的距离为1.5 cm.碳纤维具有低成本、耐腐蚀、生物亲和性良好等优点，其高比表面积可减少电池性能受阴极氧气扩散的影响[8].为提高该装置的实用性，反应器中不使用质子交换膜.
目前我国地下排水管道直径一般为0.5～7 m，下水道适宜流速为0.61～1.07 m/s[9]，但在天气突变等因素的影响下，水速远高于该范围.阳极室的透水孔具有显著的减速特性，减少高速水流对反应器工作性能的影响.本研究通过ANSYS Fluent对透水孔的减速特性进行模拟.反应器外壳最大直径为355.4 mm，管道直径为560 mm，管道截面流速均匀，为3 m/s，污水的动力黏度取为0.005 kg/(m·s)，水面光滑.模拟所得的流速分布图如图3所示.
图3 管道流速仿真
Fig.3 Simulation of the flow velocity profiles in the drain
由模拟结果可得，该结构可将水速降低至入口流速的53%.若需进一步提高减速效果，可适当减小孔径或调整开孔位置.
1.2.2 MFC接种与运行
接种源为已运行(含1 g/L乙酸钠的50mMPBS缓冲液)1 a的MFC出水.采用比例为1∶1的接种源液和含有1 g/L乙酸钠、12.5 mL/L矿物质和5 mL/L维生素的50 mMPBS缓冲液的混合液对MFC进行接种和培养.MFC运行的人工污水的组成：Na2HPO4·12H2O，11.466 g/L；NaH2PO4·2H2O，2.75 g/L；NH4Cl，0.31 g/L；KCl，0.13 g/L；乙酸钠，1 g/L；矿物质，12.5 mL/L；维生素，5 mL/L.MFC采用的菌种为混合菌.
MFC在接种和运行过程中外接电阻200 Ω.采用改变外接电阻法测试MFC功率和极化曲线，电阻变化范围为20～140 Ω.MFC采用序批次方式在30 ℃恒温室中运行.
1.2.3 MFC分析和计算方法
采用电压测量仪实时记录MFC输出电压数据并存储；采用DR2800便携式分光光度计测定污水反应前后COD.
(1)COD去除率.为测试MFC对有机污染物的清洁能力，采用COD去除率作为评价标准.
COD去除率按下式计算：
(1)
式中:V0为初始COD体积，mg/L；Vt为最终COD体积，mg/L.
(2)路端电压.外接电阻两端的电压，由数据采集系统自动采集并存储.
(3)功率密度.单位电极面积的输出功率，表征MFC产电能力，按下式计算：
(2)
式中:I为外电路电流，A；U为路端电压，V；A为阴极有效面积，m2.
1.3 能量采集与储存模块
微生物燃料电池的电动势一般在400 mV附近，低于一般的DC/DC升压器允许的最低输入电压，因此无法通过升压器直接升压稳压.多个电池串联会产生电极极性反转现象，也无法通过MFC
串联实现电压的稳定提升[10].小型MFC的输出功率在实际废水环境下通常处于毫瓦级别，而传感器和MCU等设备的工作电压一般在5 V左右，功率为瓦级，因此单个小型MFC无法为其提供足够的电压和功率.
为避免上述问题，本研究利用能量采集芯片BQ25504将MFC产生的电能采集并储存在储能元件内，可以在储能元件两端得到一般升压器所需的最低输入电压，待其储存足够的能量后，再由其为小型电子器械提供电能[11-12].
BQ25504可以设置储能元件的上限电压，在储能元件的端电压达到上限值时，停止向储能元件充电，实现过充保护.储能元件通过Vbat引脚向后面的TPS610891、TPS610981输入电压.由于应用条件的要求，储能元件需要频繁地充放电，因此采用充放电寿命较高的超级电容做为储能元件.
能量采集及储存模块的电路原理图如图4所示.
1.4 能量管理模块
MFC产生的功率只有几毫瓦，而整个系统的功耗达到瓦.在实际情况下，排水管网的监控并不需要连续进行，因此可将一个运行周期分为休眠和工作两个状态，工作状态下无线监控系统工作，休眠状态下系统维持着较低功耗，从MFC中获取能量以补充工作状态的电能消耗，实现系统整体的持续运行.
图4 能量采集与储存模块电路原理图
Fig.4 Schematic diagram of energy harvesting and storage module
该方法的关键在于休眠状态的系统功耗低于从MFC采集能量的功率.依此本研究设计了能量管理模块对系统进行低功耗管理[10,13].
能量管理模块由DC/DC升压器TPS610891、DC/DC升压芯片TPS610981、外部时钟PCF8563、CMOS模拟开关ADG823构成[13].
能量管理模块电路原理图如图5所示.
图5 能量管理模块电路原理图
Fig.5 Schematic diagram of energy management module
DC/DC升压器TPS610981用于向PCF8563、ADG823提供稳定的3.3 V工作电压.DC/DC升压器TPS610891用于向MCU、传感器和无线发送模块等提供稳定的5 V电压[14].TPS610891的最大输入电流为1.5 A，可以满足负载对于功率和电流的要求.其具有用电平控制的使能端EN，EN为低电平则使能端被禁止，切断负载与输入电源的联系.EN为高电平则使能端被使能.
外部时钟PCF8 563具有计时和中断功能，其中断引脚INT与模拟开关ADG823的S2、D2相连.PCF8563的中断时间可由软件设置，由SDA、SCL引脚实现与MCU的通信.中断到来时，INT引脚会由非中断状态的高电平变为低电平，改变ADG823的开关状态，进而控制TPS610891的使能端由禁止状态转换到使能状态，实现系统在休眠状态到工作状态的转换.
注意，为防止由输入电源提供的电流因MCU的IO口电压为低电平而从MCU的IO口倒流入MCU，增大系统空载休眠状态的损耗，本研究将SDA、SCL引脚所接的电阻接到TPS610891的电压输出端上.这样，只有系统在工作状态时，该电压输出端才会有高电平的电压.所以，在SDA、SCL引脚上所接的电阻引起的损耗只出现在系统的工作时间内，并不会增加系统休眠状态下的损耗.一个完整的工作周期描述如图6所示.
图6 定时工作的运行逻辑框图
Fig.6 Logic diagram of regular running
1.5 无线监控模块
无线监控模块包括MCU、传感器和无线通信设备等.
2 结果与分析
2.1 MFC产电性能
MFC启动后，外接电阻200 Ω，其端电压随时间的变化如图7所示，电池电压可稳定在约500 mV.电压的突降是电解液中有机质被产电菌耗尽的结果，更换溶液后，电压可在短时间内恢复正常工作水平.
图7 MFC外电压随时间变化曲线
Fig.7 Voltage curve of MFC
MFC稳定后，测量电池的极化曲线和功率曲线测量结果如图8所示.数据处理后得到电池开路电压为544.4 mV，内阻为30 Ω，电池产电最大功率为4.94 mW，面积功率密度为241.58 mW·cm-2.
图8 电池极化及功率曲线
Fig.8 Polarization and power curve of MFC
2.2 MFC污水处理能力
对于单个运行周期，MFC处理前和处理后反应液的COD值分别为949 mg/L和100 mg/L，COD去除率为89.5%.表明MFC反应器具有较高的污水处理能力.
2.3 微能量采集功率
MFC产生的能量经BQ25504采集后储存在储能元件中，为系统供电.储能元件的实际储存能量的功率即为MFC的输出功率乘以BQ25504的效率.本研究以储能元件中实际储存能量的功率作为能量采集功率，并进行监测.利用电压定时采集设备测量超级电容两端的电压，计算出储能元件储存的电能W，所获得的采集功率-时间(P-t)和超级电容电压-时间(U-t)曲线如图9所示.
图9 MFC的U-t、P-t曲线
Fig.9 Votage and power curves of the super capacitor of BQ25504 attached to MFC
由于充电方式不同，整个充电过程可分为3个区域.BQ25504在Vstore引脚电压低于1.8 V时处于冷启动区，采集功率低于1 mW.Vstore引脚电压高于1.8 V后，主BOOST升压器工作，能量采集功率迅速上升，最大可达5 mW，当超级电容电压达到设定的电压上限后，充电停止，充电功率接近0.
2.4 系统功耗分析
2.4.1 系统休眠状态损耗
休眠状态的低损耗是系统持续稳定运行的关键.对系统进行休眠状态下的功耗分析.BQ25504与MFC断开，当系统处于休眠状态时，记录电容储能随时间的变化曲线W-t和空载功率随时间的变化曲线P-t如图10所示.
图10 系统休眠状态功耗特性
Fig.10 Power consumption characteristics of the system in sleep mode
结果表明：
Ploss≤500 μW<Pin-min≤1.757 mW,
(3)
式中:Pin-min为系统在主升压器运行状态下给超级电容充电的最小功率，mW.
式(3)说明：系统在休眠状态下的功耗不大于500 μW，低于Pin-min=2 mW.因此，在休眠状态下系统储能元件净吸收功率大于0 W.
2.4.2 系统全负荷运行状态功耗
为确定系统所需的休眠时间，采用上述同样的分析方法，对全负荷运行状态(所有传感器工作，无线模块采用最大功率发送的状态)下系统的功耗进行分析.结果表明：当系统处于全负荷工作状态时，系统功耗达到0.749 7 W，储能元件中的能量迅速耗尽.
2.5 系统运行周期的确定
系统工作时间需要考虑系统从启动到稳定运行所需的时间和监控需要.假设每个运行周期内系统工作3 s，依此计算运行周期.一个周期内工作状态下消耗的能量计算如下：
Wwork=Pworktwork≤2.25 J,
(4)
式中:Wwork为系统工作时间内消耗的总能量，J；Pwork为系统工作状态的功率，W；twork为系统在一个周期中工作状态持续的时间，s.
要保证系统在休眠时间内采集足够的能量Wget补充工作状态消耗的能量Wwork，系统休眠状态下储存的能量计算如下：
Wget=(Pin-Ploss)tsleep≥Wwork,
(5)
式中:tsleep为在一个周期中的休眠时间，s.
因此，休眠时间为：
tsleep≥762 s.
(6)
以上计算表明在保证休眠时间大于762 s时，系统可持续稳定运行，对污水管道进行间断性监控测量.
2.6 系统正常运行测试
静态环境下(MFC电压达到稳定后)进行系统实际运行测试，设定休眠时间为1 000 s,工作时间为2.6 s.
图11为3个周期的储能元件W-t曲线.每一个周期中，W-t曲线可以分为3个工作区.在负载接通及能量补充区间中，系统首先进入工作状态，持续2.6 s，储能元件的储能从约29.5 J降至26.5 J，随后进入休眠状态，储能增加，在500 s内完成了能量的补充，再进入电量充满区.在电量充满区内，系统仍处于休眠状态，但此时超级电容的电压接近上限，其储能保持在最大值，直到下一个工作状态到来.
图11 实际正常运行测试储能元件W-t曲线
Fig.11 W-t curve of energy storage element in normal working state
实验结果表明，系统能在休眠状态补充工作状态消耗的能量，实现持续稳定运行.
3 结论
本研究设计了一种利用MFC发电的排水管道监控系统.一般的城市排水管道中污水的COD浓度在100～1 000 mg/L范围内，此范围内，COD的波动对MFC产电的影响不大，MFC在4～35 ℃的温度范围内皆可正常工作.其次，氨氮和总氨对MFC的影响较小，MFC在污水环境中运行有助于脱氮和脱氨.所以排水管道中的污水环境能满足MFC正常工作的原料和环境需求.通过将污水中的化学能转化为电能，结合低功耗能量管理方案实现了对排水管网的监测.该系统无需更换电池或是从电网引接电线，降低了维护成本和废旧电池带来的污染，为“智能水网”的实现提供了能量来源方面的支持.
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