微生物電池技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

微生物電池技術(shù)在水處理中的應(yīng)用 【摘要】 本文簡述了微生物燃料電池(MFC)的原理和微生物燃料電池技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用研究及發(fā)展趨勢?！娟P(guān)鍵字】 微生物燃料電池,廢水處理，產(chǎn)電 Abstract This article describes the operation principle of the microbial fuel cell ( MFC ) ， the application and trends of the microbial fuel cell technology in wastewater treatment Keywords Microbial Fuel Cells, Wastewater Treatment，Electricity Production0 引言 廢水處理是高能耗行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，僅我國每年用于廢水處理的耗電量就占全國總發(fā)電量的1%1，而美國等發(fā)達(dá)國家更高達(dá)3%2。隨著能源短缺的日益加劇，節(jié)能降耗已成為廢水處理行業(yè)急待解決的現(xiàn)實(shí)問題。 至今為止，廢水的處理技術(shù)主要采用好氧生物處理和厭氧生物處理兩種方法。但是，這兩種方法都有其缺點(diǎn)。好氧生物處理消耗能量大且運(yùn)行費(fèi)用高，而厭氧工藝的產(chǎn)出物甲烷無法實(shí)現(xiàn)能源的回收，會加劇著地球溫室效應(yīng)。近年來，由于生物技術(shù)的不斷發(fā)展，污水的生物處理成為污水處理領(lǐng)域的主要技術(shù)，得到了研究者的廣泛重視。由于微生物燃料電池高效、清潔、環(huán)保的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，利用微生物電池技術(shù)處理廢水的研究在全球掀起熱潮。1 微生物燃料電池特點(diǎn) 微生物燃料電池（Microbial Fuel Cells，簡稱MFC)是一種以微生物為催化劑產(chǎn)生電能的新方法，可以利用細(xì)菌通過生物質(zhì)產(chǎn)生生物電能。它是一種將化學(xué)能在微生物的作用下直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。其問世于20世紀(jì)初，但在此后很長的一段時期內(nèi)，其研究陷入停滯。20世紀(jì)末，由于能源危機(jī)的巨大壓力以及化石能源的環(huán)境污染，MFC研究再度受到人們關(guān)注。二十世紀(jì)八十年代以后，電子中介體的使用，使得微生物燃料電池的電流密度和功率密度有較大提高，但因?yàn)槠湫阅懿环€(wěn)定性且成本較高，使其不能廣泛應(yīng)用。近年來，高活性微生物及無氧化還原介體方式的發(fā)現(xiàn)，極大促進(jìn)了微生物燃料電池的發(fā)展。 MFC在理論上具有很高的能量轉(zhuǎn)化效率，其具有以下優(yōu)勢：（1）燃料來源多樣化:可以利用一般燃料電池不能利用的有機(jī)物，無機(jī)物、微生物呼吸的代謝產(chǎn)物、發(fā)酵的產(chǎn)物，以及污水等作為燃料。（2）電池的操作條件較溫和:由于使用微生物作為催化劑，電池常溫常壓下即可運(yùn)行，這與現(xiàn)有的發(fā)電過程不同，使得電池維護(hù)成本低、安全性強(qiáng)。（3）生物相容性好:利用人體血液中的葡萄糖和氧氣作燃料，可為植入人體的一些人造器官提供電能。（4）無需能量輸入:微生物本身就可以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，把燃料能源轉(zhuǎn)化為電能，為人類提供能源。（5）由于微生物燃料電池的唯一產(chǎn)物是水，所以該技術(shù)無污染，可實(shí)現(xiàn)零排放。（6）能量利用率高，能量轉(zhuǎn)化過程無燃燒步驟，可直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，能量利用效率較高。2 微生物燃料電池工作原理及構(gòu)造器2.1 微生物燃料電池工作原理圖1是微生物燃料電池工作原理簡易示意圖。在微生物燃料電池中，可降解有機(jī)質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)被微生物代謝分解，此過程中產(chǎn)生的電子通過呼吸鏈傳輸?shù)郊?xì)胞膜上，然后電子進(jìn)一步從細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移到電池的陽極上。陽極上的電子經(jīng)由外電路到達(dá)電池的陰極，最終，電子與電子受體（氧化劑）在陰極表面上相結(jié)合。而有機(jī)質(zhì)代謝分解過程中產(chǎn)生的質(zhì)子則在電池內(nèi)部通過陽離子交換膜從陽極區(qū)擴(kuò)散到陰極區(qū)。電子和質(zhì)子的移動完成了整個微生物燃料電池的電子傳遞過程3。 圖1 微生物燃料電池工作原理簡易示意圖2.2 微生物燃料電池處理廢水反應(yīng)器構(gòu)造4 傳統(tǒng)MFC反應(yīng)器分為雙室型和單室型雙室型MFC結(jié)構(gòu)簡單，并且陽極、質(zhì)子交換膜及陰極是相對獨(dú)立的，便于分別進(jìn)行研究，但雙室型MFC由于陰陽兩極間距離較大，歐姆電阻較高，導(dǎo)致輸出功率密度較低，另外陰極室中電子受體主要為氧氣，而氧氣在水中的溶解度較小，制約了其在陰極表面的還原為了進(jìn)一步提高M(jìn)FC的廢水處理能力和產(chǎn)電性能，研究者們構(gòu)建出單室型MFC單室型MFC采用空氣陰極，即直接以空氣中的氧氣作為電子受體單室MFC從電極形式上還可分為將陰極和質(zhì)子交換膜熱壓在一起的“二合一”型和將陽極、質(zhì)子交換膜和陰極熱壓在一起的“三合一”型兩種近年來，隨著微生物燃料電池技術(shù)在廢水處理研究領(lǐng)域的不斷深入，研究者們結(jié)合廢水處要求設(shè)計出多種新型的MFC。如平板式填料式,雙筒式微型式嘲等。3 利用微生物電池技術(shù)處理廢水 微生物燃料電池廢水處理技術(shù)，是將微生物作為陽極催化劑，將有機(jī)廢水作為MFC陽極的底物，通過微生物的代謝作用將生活污水和工業(yè)廢水中含有的大量有機(jī)物作為燃料氧化，使有機(jī)物降解，廢水被處理，同時獲得電能。該技術(shù)基本核心是提高細(xì)菌處理廢水的效率及增強(qiáng)細(xì)菌對廢水沖擊負(fù)荷的適應(yīng)性。除了改善廢水處理構(gòu)筑本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計的方式，目前這方面的技術(shù)歸納起來基本為提高細(xì)菌有氧代謝或無氧代謝效率及細(xì)菌對廢水濃度的耐受性。 采用MFC處理廢水是廢水處理技術(shù)的創(chuàng)新。傳統(tǒng)廢水處理技術(shù)通常將廢水當(dāng)作無用的廢物，以消耗電能來去除這些含能污染物，而MFC 可將廢水污染物用于生產(chǎn)電能，處理廢水的同時生產(chǎn)電能。與傳統(tǒng)廢水生物處理技術(shù)相比，MFC具有其獨(dú)特優(yōu)勢（見表1）5。和傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)相比，微生物燃料電池技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）同步廢水處理和高效產(chǎn)電；（2 ）可在常溫常壓下運(yùn)行，對運(yùn)行環(huán)境無特殊要求；（3 ）可以實(shí)現(xiàn)不同種類的廢水處理；（4 ）伴隨廢水處理過程產(chǎn)生的氣體無需進(jìn)一步處理，環(huán)境友好。 表1 MFC與傳統(tǒng)廢水生物處理技術(shù)的對比 近年來，微生物燃料電池被嘗試用來處理富含生物可降解有機(jī)物的廢水，表2列舉了目前MFC用于廢水處理的現(xiàn)狀6。另有實(shí)驗(yàn)表明，微生物燃料電池技術(shù)在化工廢水,制藥廢水,畜牧養(yǎng)殖廢水,食品加工廢水,垃圾滲濾液,含氮廢水等廢水中的處理效果也很樂觀7。 表2 微生物燃料電池用于廢水處理的一些實(shí)例4 微生物燃料電池廢水處理的主要問題及解決方法 微生物燃料電池技術(shù)在許多方面已經(jīng)取得了重大突破，但依然沒有解決處理廢水速率慢、功率低的問題。目前，微生物燃料電池廢水處理面臨的主要問題包括:(1) 微生物細(xì)菌與電極之間的電子傳遞過程緩慢，產(chǎn)電功率密度低。(2) 對于細(xì)菌本身的呼吸方式和電子傳遞到電極機(jī)理研究不夠，沒有建立起完善的體系。(3) 使用價格不菲的碳紙、載鉑碳紙等材料作電極等因素導(dǎo)致了電池的造價成本高，增加了MFC技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用成本。而MFC多以間歇操作為主，且反應(yīng)器容積過小，這些結(jié)構(gòu)上的缺陷也嚴(yán)重制約了MFC技術(shù)的發(fā)展和廢水處理領(lǐng)域的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。(4）研究的陽極底物一般僅為有機(jī)養(yǎng)料和模擬廢水的混合物，對高有機(jī)物濃度廢水的MFC技術(shù)研究較少，針對廢水處理的MFC基礎(chǔ)研究較少。 針對以上問題，還需要在以下幾個方面進(jìn)行進(jìn)一步研究，以推動MFC技術(shù)在廢水處理方面的實(shí)際應(yīng)用：（1）開發(fā)高效的直接電子傳遞型產(chǎn)電菌種，通過菌群組合、基因改造等方法優(yōu)化產(chǎn)電菌群。（2）研究生物兼容性好，電子傳遞性能優(yōu)秀的電極材料，促進(jìn)陽極電子傳遞過程，改善電池功率輸出。（3）優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，減少傳質(zhì)阻力，增大反應(yīng)器容積，提高輸出功率。（4）加強(qiáng)MFC技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，研究MFC對高有機(jī)物濃度廢水的處理效率及處理機(jī)理。 5. 微生物燃料電池技術(shù)研究方向 面對能源危機(jī)和環(huán)境污染這兩大問題，微生物燃料電池這種創(chuàng)新性的水處理技術(shù)，顯示出極大的研究和應(yīng)用價值，但是要實(shí)現(xiàn)MFC的實(shí)際應(yīng)用，關(guān)鍵問題是提高其產(chǎn)電能力和廢水中污染物的去除效率建議今后主要開展以下研究：(1) 對微生物產(chǎn)電機(jī)理進(jìn)行深入研究，以提高微生物的電子傳遞效率，或是尋找更高電化學(xué)活性的微生物；(2) 進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)；尋求新型高效的電極材料；(3)深入開展MFC處理各類典型工業(yè)廢水、生活污水的工藝條件和降解機(jī)理研究相信隨著研究的不斷深入，MFC處理廢水技術(shù)必將在廢水的處理中得到應(yīng)用與推廣7。5 結(jié)語 微生物燃料電池技術(shù)代表了未來水處理技術(shù)的發(fā)展方向。近幾年時間來，MFC技術(shù)分別在微生物、系統(tǒng)構(gòu)型與材料方面取得了重大發(fā)現(xiàn)。但是在改善電極電化學(xué)性能、提高電池輸出功率密度及降低電池成本等方面還需進(jìn)行深入探索。相信隨著MFC 研究的不斷深入,MFC的工業(yè)化應(yīng)用將為期不遠(yuǎn)。6 參考文獻(xiàn)1趙正權(quán)，徐冬，張浩，等.中國污水處理電耗分析和節(jié)能途徑J.節(jié)能減排，2010,28（22）:43-47.2張吉強(qiáng)，鄭平，季軍遠(yuǎn).微生物燃料電池及其在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用J.水處理技術(shù)，2013,39（1）:12-18.3姜秀華.利用微生物電池技術(shù)處理廢水J.科技創(chuàng)新，2013,18（1):624丁薇薇，等.微生物燃料電池技術(shù)處理水中污染物的可行性研究J.5孫建，胡勇有，等.廢水處理新概念微生物燃料電池技術(shù)研究進(jìn)展J.工業(yè)用水與廢水，2