利用微生物電池技術處理廢水

摘 要：進入21世紀，由于微生物燃料電池高效、清潔、環保的獨特優點，利用微生物電池技術處理廢水的研究在全球掀起熱潮。通過微生物燃料電池技術的特點和原理的介紹，綜述了微生物燃料電池廢水處理技術的優勢，分析了存在的問題，并在此基礎上指出微生物燃料電池廢水處理技術研究的重點突破方向。

關鍵詞：微生物燃料電池；廢水處理；產電

廢水處理是高能耗行業。據統計，僅我國每年用于廢水處理的耗電量就占全國總發電量的1%[1]，而美國等發達國家更高達3%[2]。隨著能源短缺的日益加劇，節能降耗已成為廢水處理行業急待解決的現實問題。至今為止，廢水的處理技術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。好氧生物處理消耗能量大且運行費用高，而厭氧工藝的產出物甲烷無法實現能源的回收，會加劇著地球溫室效應。近年來，由于生物技術的不斷發展，污水的生物處理成為污水處理領域的主要技術，得到了研究者的廣泛重視。進入21世紀，由于微生物燃料電池高效、清潔、環保的獨特優點，利用微生物電池技術處理廢水的研究在全球掀起熱潮[3]。

1 微生物燃料電池特點

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生電能的新方法，可以利用細菌通過生物質產生生物電能。它是一種將化學能在微生物的作用下直接轉化為電能的裝置[4]。其問世于20世紀初，但在此后很長的一段時期內，其研究陷入停滯。20世紀末，由于能源危機的巨大壓力以及化石能源的環境污染，MFC研究再度受到人們關注。二十世紀八十年代以后，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，但因為其性能不穩定性且成本較高，使其不能廣泛應用。近年來，高活性微生物及無氧化還原介體方式的發現，極大促進了微生物燃料電池的發展[5]。

MFC在理論上具有很高的能量轉化效率，其具有以下優勢：（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物，無機物、微生物呼吸的代謝產物、發酵的產物，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行，這與現有的發電過程不同，使得電池維護成本低、安全性強。（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行能量轉化，把燃料能源轉化為電能，為人類提供能源。（5）由于微生物燃料電池的唯一產物是水，所以該技術無污染，可實現零排放。（6）能量利用率高，能量轉化過程無燃燒步驟，可直接將化學能轉化為電能，能量利用效率較高[6]。

2 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，可降解有機質在細胞內被微生物代謝分解，此過程中產生的電子通過呼吸鏈傳輸到細胞膜上，然后電子進一步從細胞膜轉移到電池的陽極上。陽極上的電子經由外電路到達電池的陰極，最終，電子與電子受體（氧化劑）在陰極表面上相結合。而有機質代謝分解過程中產生的質子則在電池內部通過陽離子交換膜從陽極區擴散到陰極區。電子和質子的移動完成了整個微生物燃料電池的電子傳遞過程[7]。

3 利用微生物電池技術處理廢水

微生物燃料電池廢水處理技術，是將微生物作為陽極催化劑，將有機廢水作為MFC陽極的底物，通過微生物的代謝作用將生活污水和工業廢水中含有的大量有機物作為燃料氧化，使有機物降解，廢水被處理，同時獲得電能[8]。該技術基本核心是提高細菌處理廢水的效率及增強細菌對廢水沖擊負荷的適應性。除了改善廢水處理構筑本身的結構設計的方式，目前這方面的技術歸納起來基本為提高細菌有氧代謝或無氧代謝效率及細菌對廢水濃度的耐受性。

采用MFC處理廢水是廢水處理技術的創新。傳統廢水處理技術通常將廢水當作無用的廢物，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電能，處理廢水的同時生產電能[9]。與傳統廢水生物處理技術相比，MFC具有其獨特優勢（見表1）[10]。和傳統的廢水處理技術相比，微生物燃料電池具有以下特點：（1）同步廢水處理和高效產電；（2）可在常溫常壓下運行，對運行環境無特殊要求；（3）可以實現不同種類的廢水處理；（4）伴隨廢水處理過程產生的氣體無需進一步處理，環境友好。

表1 MFC與傳統廢水生物處理技術的對比

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在許多方面已經取得了重大突破，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[11]：

4.1 微生物細菌與電極之間的電子傳遞過程緩慢，產電功率密度低。

4.2 對于細菌本身的呼吸方式和電子傳遞到電極機理研究不夠，沒有建立起完善的體系。

4.3 使用價格不菲的碳紙、載鉑碳紙等材料作電極等因素導致了電池的造價成本高，增加了MFC技術在廢水處理領域的應用成本。而MFC多以間歇操作為主，且反應器容積過小，這些結構上的缺陷也嚴重制約了MFC技術的發展和廢水處理領域的大規模實際應用。

4.4 研究的陽極底物一般僅為有機養料和模擬廢水的混合物，對高有機物濃度廢水的MFC技術研究較少，針對廢水處理的MFC基礎研究較少。

針對以上問題，還需要在以下幾個方面進行進一步研究，以推動MFC技術在廢水處理方面的實際應用[12]：

（1）開發高效的直接電子傳遞型產電菌種，通過菌群組合、基因改造等方法優化產電菌群。

（2）研究生物兼容性好，電子傳遞性能優秀的電極材料，促進陽極電子傳遞過程，改善電池功率輸出。

（3）優化反應器結構，減少傳質阻力，增大反應器容積，提高輸出功率。

（4）加強MFC技術在廢水處理領域的基礎研究，研究MFC對高有機物濃度廢水的處理效率及處理機理。

5 結束語

微生物燃料電池廢水處理技術代表了未來水處理技術的發展方向。近幾年時間來，MFC技術分別在微生物、系統構型與材料方面取得了重大發現。但是在改善電極電化學性能、提高電池輸出功率密度及降低電池成本等方面還需進行深入探索。相信隨著MFC 研究的不斷深入，MFC的工業化應用將為期不遠。

參考文獻

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作者簡介：姜秀華（1975-），女，天津人，工程師，主要從事電池方面的研究。