微生物燃料電池在污水處理中的應用研究進展

王辛

摘????? 要： 微生物燃料電池（MFCs）是一種新型的產電裝置，它利用產電微生物產生電能，因符合綠色發展理念而受到人們的廣泛關注。近年來，人們將微生物燃料電池與污水處理結合，在污水處理基礎上產生電能，實現了真正的可持續發展。簡要概述了MFCs的工作原理、分類、特點，綜述了此項技術在水處理中的應用情況，最后提出目前需要面對的問題以及未來發展方向。

關? 鍵? 詞：微生物燃料電池； 可持續發展； 污水處理

中圖分類號：TQ201???? 文獻標識碼： A???? 文章編號： 1004-0935（2024）06-0865-04

微生物燃料電池作為一種環境友好型生物能源技術，近年來在污水處理領域引起了廣泛關注。主要是利用微生物的代謝活動將有機廢物轉化為電能的同時，實現了廢水的高效處理。傳統的污水處理方法通常需要大量的電力供應和化學藥劑投入，不僅存在能源浪費和環境污染問題，還使廢水處理成本居高不下。在這一背景下，MFCs的出現為廢水處理帶來了一種全新的解決方案，具有諸多潛在的優勢。

本文將回顧微生物燃料電池在污水處理領域的應用研究進展。將重點關注MFCs在提高廢水處理效率、減少能源消耗、降低污染物排放等方面的潛在應用，以及在可持續能源生產和環境保護方面的前景。為進一步推動MFCs在污水處理中的應用提供理論和實踐支持。

1? MFCs技術及其發展歷史

生物電一詞是在1790年首次被發現，1910年晚些時候，Michael Cresse Potter教授觀察到浸入酵母和大腸桿菌懸浮液時鉑電極之間的電流流動，揭示了細菌可以發電。這一發現使得大量學者投入MFCs技術的研究當中[1]。傳統污水處理有著能耗高、產生污泥量大、不穩定、效果差等一系列缺點，有學者嘗試將MFCs與污水處理工藝耦合[2]，實現綠色發展。之后的一段時間大量研究人員對產電性能[3]、污水處理效果進行研究，取得了不錯的進展。

2? MFCs的工作原理

經典微生物燃料電池（MFCs），是一種生物電化學裝置，它通過使用微生物作為生物催化劑，將儲存在糖和醇等化學物質中的化學能直接轉化為生物電能。典型的MFCs由厭氧室和好氧室組成，由質子交換膜隔開，并分別配備陽極和陰極電極，用于收獲電流。MFCs中的陽極生物膜分解代謝一系列底物產生電子，而產生的電子被酶活性位點吸收，在電極作為合適的電子受體存在的情況下，電子隨后被轉移到外部電路，最終，這些電子減少分子氧在陰極表面，導致電流的產生[4]。

3? MFCs的分類、特點

1）根據發電的原理，將其分為氫型燃料電池[5]、自養型微生物燃料電池[6]、異養型微生物燃料電池[7]。氫型微生物燃料電池，在電極表面涂加催化劑，使微生物能夠在電極表面合成氫氣，從而產生電能；光能自養型燃料電池需要利用一系列感光微生物進行光合作用，使光能直接轉換成電能。化能異養型燃料電池是在厭氧型和兼性微生物作用下，從有機物質中抽取電子并向電極傳遞電子，從而獲得電功率輸出。

2）微生物燃料電池按照結構可分為單極室燃料電池[8]，和多極室燃料電池[9]。單極室MFCs由空氣陰極組成，取消了質子交換膜。雙極室燃料電池，由一層質子交換膜將電池分成兩個極室，一個是陽極室，另一個是陰極室。通過將多個單獨的燃料電池進行串聯，從而得到一種新型的多級串聯燃料電池。

3）根據從微生物向電極傳遞電子的方法來進行分類。將MFCs劃分為兩種類型：由有無介質區分。電子在借助外在的電子中間體才能轉移到陽極，這就是有介質的MFCs。在沒有電子產物中間體的情況下，一些微生物可以吸附和生長到電極上，并向其直接傳輸電子，這就是無介質MFCs。

4? MFCs在廢水處理中的應用

4.1? 處理生活廢水

現行的活性污泥法處理廢水，需要消耗大量的電力，并且由于出水量大，給廢水的處理帶來了巨大的經濟損失。而MFCs可以彌補常規處理技術中存在的缺陷，并與廢棄物資源化的理念相吻合。

張立成[9]等在雙室式微生物燃料電池基礎上進行了序批式的運行，研究發現，反硝化除磷污泥在間歇操作中對模擬生活廢水的處理和產電都有良好的處理效果。初始pH、MLSS等因子對脫氮、除磷和產電量有較大影響。當初始pH較高，可以提高電壓，但也不是越高越好，pH過高反而會影響釋磷的效果，經研究發現，最佳初始pH為7。隨著MLSS的增大，系統的產電效率也隨之增大。尤世界[10]等舍棄了質子交換膜構建了一種空氣陰極燃料電池在110 h左右的時間內，以城市生活污水作為基質，用空氣陰極燃料電池能夠獲得0.24 V的輸出電壓。以乙酸鈉、葡萄糖為底物，其輸出的最大能量密度為146.56 mW·m-2，最高能量密度為192.04 mW·m-2，去除率分別為99%、87%。

4.2? 處理印染廢水

在染色工藝中，大約有10%～15%的染料會損失到水里去。當這些廢水不僅會對感官造成影響還會對魚蝦等水生生物造成危害。目前的處理方法如物理化學處理法雖然高效，但是投資大，過程復雜，容易產生二次污染；生物工藝成本低廉，但是運行時間很長。所以，發展高效的染料廢水治理技術已成為人們關注的焦點[11]。

朱超將前期獲得的不依賴于碳源的偶氮染料降解細菌及混合細菌接種于無膜單室MFCs中，建立了一套廉價、簡單的單室MFCs，前期研究表明，在MFCs體系中，利用無碳源依賴的偶氮類染料生物降解細菌，可以同時處理單一或偶氮類染料，且具有相當的發電能力，最大脫色率達到65.1%，COD去除率達到82%。該方法不僅不需要外加的碳源，也不需要加入緩沖溶液而且可以加速脫色，因此在實際中有很好的應用前景[13]。

4.3? 處理食品廢水

近年來，我國食品工業取得了長足發展，但水污染問題仍然是限制其發展的重要因素。故尋找一種高效、經濟的處理方法已經提上日程[14]。

蘇升[15]等以食品解凍廢水研究MFCs的產電能效、微生物菌群分布以及協同工作效果，研究表明，在解凍廢水中，微生物燃料電池的發電在0.125～ 0.172 W·m-2，有機物的去除率可達到90%左右，發電能力較強。當增加底物有機負載時，可以有效地增加MFCs陽極的生物多樣性，增加MFCs的電能轉換和功率輸出。以食物解凍廢水[16]為底物的MFCs陽極生物膜中的主要細菌種類有：發酵型細菌和產電型細菌，它們之間緊密配合對MFCs的發電性能起著決定性的作用。陶虎春等研究雙室MFCs模擬對黃姜提取薯蕷素廢水進行了試驗，考慮到微生物是影響其處理結果的主要因素，著重探討了不同菌種對其影響。研究發現：以全混菌處理時間為350 h時效果最佳，COD的去除率可達90%以上；試驗結果表明，添加了馬鈴薯堿廢水的厭氧菌，其產生的電能最高可達10.32 mW·m-2。孫彩玉[17]等采用CSTR技術，以真實的中藥廢水為陽極底物，以真實的含鎘廢水為陰極電解質，建立了雙室MFCs，并對其進行了初步的試驗，得出以下結論：燃料電池啟動后其最大輸出電壓為417 mV，最大體積功率密度為11.8 W·m-3。在最大的功率密度下，系統的庫侖效率可達18.5%。MFCs對含藥廢水有很好的去除效果，其COD平均脫除率達81.5%，MFCs陰極對Cd2+有較好的脫除性，其脫除率為79.4%～84.8%。

4.4? 處理制藥廢水

抗生素是當前治療人類和牲畜感染性疾病的最有效藥物之一。人類和動物服用的大多數抗生素并不能被機體充分代謝，約有20.0%～97.0%以活性物質的形式排出體外而進入環境[18]。由于抗生素廢水的復雜性、高有機負荷與難生物降解性，徹底消除廢水中的抗生素是一項艱巨的任務。

樊立萍等[19]發現制備基于CeO2-β-CD的改性電極，并將其用于處理高濃度、難降解的制藥廢水，能夠顯著提高MFCs的整體性能。運行150 h的產電輸出電能提高了522.4%，COD去除率提高了94%。薛松[20]等馴化了人工湖泊底泥中所包含的微生物菌群，以鏈霉素廢水為陽極液，構建微生物燃料電池，研究添加共基質前后微生物燃料電池的廢水處理效果與同步發電性能。在常規條件下，MFCs對鏈霉素廢水的降解效果和發電能力均較差。但在鏈霉素廢水中添加適當葡萄糖形成共基質代謝，微生物降解有機物的能力和電子傳遞能力均得到顯著增強，MFCs對鏈霉素廢水的凈水效果及同步產電能力也得以顯著提高。

4.5? 處理畜牧養殖廢水

我國是肉制品消耗大國，畜禽養殖業是我國重要的農業污染源[21]，若未經過適當處理將對環境產生極大潛在威脅。其中高濃度畜禽養殖廢水帶來的環境污染問題最為突出，是污染防治的重點和難點[22]。

李小虎等以養殖場沼泥為接種物，構建了改性碳氈陽極單室微生物燃料電池，探討了不同陽極改性電池的產電能力，考察了其去除養殖廢水效果。發現以原水為底物時，2種改性陽極MFCs在較短的周期內（4 d）對COD和氨氮均有較高的去除率，對臭味去除明顯，電壓也有大幅度的提高。

5 ?結 論

MFCs能夠在廢水處理的同時產生電流，實現資源利用，具有廣闊的應用前景。但是，這種新型的燃料電池產電效率不高，輸出功率也很有限，這在很大程度上制約了它的應用。為了促進該技術的實用化，還需開展如下工作：

1）對產電菌種進行研究，選出最優產電菌種，配置最合適的菌種組合，從而增強其產電性能。

2）研制出一種低成本、高效率的電極材料，選用具有良好導電性的物質，使其表面形生物膜加快氧氣的還原速度。

3）為了提高菌體的吸附能力，增大陽極的比表面積，并在陽極添加催化材料，促進電子傳遞到電極。

4）對反應器進行結構設計，并便于與其他水處理工藝聯用。使理論便于應用于實際。

經過幾十年的研究，微生物燃料電池技術雖然并沒有得到廣泛地使用，但是它的發展直到今天，仍然是一個熱點。同時，在過去的20多年里，生物技術的飛速發展，為該領域積累了豐富的材料、知識和技術。

參考文獻

[1] DRENDEL G， MATHEWS E R， SEMENEC L， et al. Microbial fuel cells， related technologies， and their applications[J]. Applied Sciences， 2018， 8（12）： 2384.

[2] 侯登峰， 張皓馳， 李先寧. 微生物燃料電池對廢水脫氮性能的影響因素綜述[J]. 環境污染與防治， 2022， 44（8）： 1091-1096， 1120.

[3] SINGH M R， XIANG C X， LEWIS N S. Evaluation of flow schemes for near-neutral pH electrolytes in solar-fuel generators[J]. Sustainable Energy & Fuels， 2017， 1（3）： 458-466.

[4] KI?YS K， ZINOVI?IUS A， JAK?TYS B， et al. Microbial biofuel cells： fundamental principles， development and recent obstacles[J]. Biosensors， 2023， 13（2）： 221.

[5] 何萬遠， 歐陽二明. 微生物燃料電池陽極材料的研究概況[J]. 應用化工， 2023， 52（8）： 2432-2436， 2442.

[6] 孫齊， 韓嚴和， 齊蒙蒙. 微生物燃料電池應用及性能優化研究進展[J]. 工業水處理， 2020， 40（7）： 6-11.

[7] 秦淼. 基于厭氧甲烷氧化的微生物燃料電池研究進展[J]. 遼寧化工， 2023， 52（8）： 1175-1179， 1207.

[8] 張立成， 王文強， 袁雅姝， 等. 反硝化除磷產電污泥特性研究[J]. 中國給水排水， 2018， 34（19）： 67-70， 75.

[9] 張立成， 于天宇， 張爽， 等. 多陰極室反硝化除磷產電裝置啟動運行研究[J]. 中國給水排水， 2020， 36（15）： 52-58.

[10] 尤世界， 趙慶良， 姜珺秋. 廢水同步生物處理與生物燃料電池發電研究[J]. 環境科學， 2006， 27（9）： 1786-1790.

[11] TAJDID KHAJEH R， ABER S， NOFOUZI K， et al. Treatment of mixed dairy and dye wastewater in anode of microbial fuel cell with simultaneous electricity generation[J]. Environmental Science and Pollution Research， 2020， 27（35）： 43711-43723.

[12] 李莉， 伍佳， 張賽， 等. 微生物燃料電池降解染料廢水的綜合實驗設計[J]. 實驗室研究與探索， 2021， 40（11）： 61-66.

[13] 邊喜龍， 于景洋， 王宇清， 等. 電解-微生物燃料電池耦合系統處理染料廢水性能[J]. 工業水處理， 2020， 40（10）： 59-62.

[14] 黃健， 凌玲， 張華， 等. ASBR處理食品廢水中DOM轉化過程的熒光光譜[J]. 中國環境科學， 2016， 36（6）： 1746-1751.

[15] 蘇升， 陳志坤， 石椿麗， 等. 微生物燃料電池對食品解凍廢水的處理效能與菌群協作研究[J]. 口岸衛生控制， 2021， 26（4）： 44-52.

[16] PARIHAR P S， KESHAVKANT S， JADHAV S K. Electrogenic potential of Enterococcus faecalis DWW1 isolated from the anodic biofilm of a dairy wastewater fed dual chambered microbial fuel cell[J]. Journal of Water Process Engineering， 2022， 45： 102503.

[17] 孫彩玉， 邊喜龍， 劉芳， 等. 連續流雙室微生物燃料電池處理工業廢水[J]. 化工環保， 2018， 38（6）： 646-650.

[18] BISOGNIN R P， WOLFF D B， CARISSIMI E， et al. Potential environmental toxicity of sewage effluent with pharmaceuticals[J]. Ecotoxicology， 2020， 29（9）： 1315-1326.

[19] 樊立萍， 溫越霄. CeO2-β-CD改性陽極微生物燃料電池處理抗生素廢水的性能研究[J]. 高校化學工程學報， 2023， 37（2）： 312-318.

[20] 樊立萍， 薛松. 共基質改善MFC處理鏈霉素廢水及產電性能的研究[J]. 燃料化學學報， 2017， 45（3）： 370-377.

[21] 劉壯壯， 李同， 劉崇濤， 等. 微生物燃料電池處理畜禽養殖廢水研究進展及展望[J]. 農業資源與環境學報， 2024， 41（2）： 344-359.

[22] SUN Z L， WEI Y R， SONG X F， et al. Using a microbial fuel cell to balance the carbon-nitrogen mismatch in submerged fixed-bed reactors for the resilient treatment of mariculture wastewater[J]. Journal of Water Process Engineering， 2023， 53： 103629.

Research Progress in Application of Microbial

Fuel Cell in Sewage Treatment

WANG Xin

（Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract：? Microbial fuel cell （MFC） is a new type of power generation device， which uses power-producing microorganisms to generate electric energy， and has attracted wide attention because it conforms to the concept of green development. In recent years， microbial fuel cells are combined with sewage treatment to generate electric energy on the basis of sewage treatment， thus realizing real sustainable development. In this paper， the working principle， classification and characteristics of MFC were briefly summarized， and the application of MFC in water treatment was summarized. Finally， the problems to be faced at present and the future development direction were put forward.

Key words：? Microbial fuel cell; Sustainable development; Sewage treatment