微生物电池技术在水处理中的应用

微生物电池技术在水处理中的应用【摘要】本文简述了微生物燃料电池(MFC)的原理和微生物燃料电池技术在废水处理中的应用研究及发展趋势。【关键字】微生物燃料电池,废水处理，产电AbstractThisarticledescribestheoperationprincipleofthemicrobialfuelcell(MFC)，theapplicationandtrendsofthemicrobialfuelcelltechnologyinwastewatertreatmentKeywordsMicrobialFuelCells,WastewaterTreatment，ElectricityProduction0引言废水处理是高能耗行业。据统计，仅我国每年用于废水处理的耗电量就占全国总发电量的1%[1]，而美国等发达国家更高达3%[2]。随着能源短缺的日益加剧，节能降耗已成为废水处理行业急待解决的现实问题。至今为止，废水的处理技术主要采用好氧生物处理和厌氧生物处理两种方法。但是，这两种方法都有其缺点。好氧生物处理消耗能量大且运行费用高，而厌氧工艺的产出物甲烷无法实现能源的回收，会加剧着地球温室效应。近年来，由于生物技术的不断发展，污水的生物处理成为污水处理领域的主要技术，得到了研究者的广泛重视。由于微生物燃料电池高效、清洁、环保的独特优点，利用微生物电池技术处理废水的研究在全球掀起热潮。1微生物燃料电池特点微生物燃料电池（MicrobialFuelCells，简称MFC)是一种以微生物为催化剂产生电能的新方法，可以利用细菌通过生物质产生生物电能。它是一种将化学能在微生物的作用下直接转化为电能的装置。其问世于20世纪初，但在此后很长的一段时期内，其研究陷入停滞。20世纪末，由于能源危机的巨大压力以及化石能源的环境污染，MFC研究再度受到人们关注。二十世纪八十年代以后，电子中介体的使用，使得微生物燃料电池的电流密度和功率密度有较大提高，但因为其性能不稳定性且成本较高，使其不能广泛应用。近年来，高活性微生物及无氧化还原介体方式的发现，极大促进了微生物燃料电池的发展。MFC在理论上具有很高的能量转化效率，其具有以下优势：（1）燃料来源多样化:可以利用一般燃料电池不能利用的有机物，无机物、微生物呼吸的代谢产物、发酵的产物，以及污水等作为燃料。（2）电池的操作条件较温和:由于使用微生物作为催化剂，电池常温常压下即可运行，这与现有的发电过程不同，使得电池维护成本低、安全性强。（3）生物相容性好:利用人体血液中的葡萄糖和氧气作燃料，可为植入人体的一些人造器官提供电能。（4）无需能量输入:微生物本身就可以进行能量转化，把燃料能源转化为电能，为人类提供能源。（5）由于微生物燃料电池的唯一产物是水，所以该技术无污染，可实现零排放。（6）能量利用率高，能量转化过程无燃烧步骤，可直接将化学能转化为电能，能量利用效率较高。2微生物燃料电池工作原理及构造器2.1微生物燃料电池工作原理图1是微生物燃料电池工作原理简易示意图。在微生物燃料电池中，可降解有机质在细胞内被微生物代谢分解，此过程中产生的电子通过呼吸链传输到细胞膜上，然后电子进一步从细胞膜转移到电池的阳极上。阳极上的电子经由外电路到达电池的阴极，最终，电子与电子受体（氧化剂）在阴极表面上相结合。而有机质代谢分解过程中产生的质子则在电池内部通过阳离子交换膜从阳极区扩散到阴极区。电子和质子的移动完成了整个微生物燃料电池的电子传递过程[3]。图1微生物燃料电池工作原理简易示意图2.2微生物燃料电池处理废水反应器构造[4]传统MFC反应器分为双室型和单室型．双室型MFC结构简单，并且阳极、质子交换膜及阴极是相对独立的，便于分别进行研究，但双室型MFC由于阴阳两极间距离较大，欧姆电阻较高，导致输出功率密度较低，另外阴极室中电子受体主要为氧气，而氧气在水中的溶解度较小，制约了其在阴极表面的还原．为了进一步提高MFC的废水处理能力和产电性能，研究者们构建出单室型MFC．单室型MFC采用空气阴极，即直接以空气中的氧气作为电子受体．单室MFC从电极形式上还可分为将阴极和质子交换膜热压在一起的“二合一”型和将阳极、质子交换膜和阴极热压在一起的“三合一”型两种．近年来，随着微生物燃料电池技术在废水处理研究领域的不断深入，研究者们结合废水处要求设计出多种新型的MFC。如平板式填料式,双筒式微型式嘲等。3利用微生物电池技术处理废水微生物燃料电池废水处理技术，是将微生物作为阳极催化剂，将有机废水作为MFC阳极的底物，通过微生物的代谢作用将生活污水和工业废水中含有的大量有机物作为燃料氧化，使有机物降解，废水被处理，同时获得电能。该技术基本核心是提高细菌处理废水的效率及增强细菌对废水冲击负荷的适应性。除了改善废水处理构筑本身的结构设计的方式，目前这方面的技术归纳起来基本为提高细菌有氧代谢或无氧代谢效率及细菌对废水浓度的耐受性。采用MFC处理废水是废水处理技术的创新。传统废水处理技术通常将废水当作无用的废物，以消耗电能来去除这些含能污染物，而MFC可将废水污染物用于生产电能，处理废水的同时生产电能。与传统废水生物处理技术相比，MFC具有其独特优势（见表1）[5]。和传统的废水处理技术相比，微生物燃料电池技术具有以下特点：（1）同步废水处理和高效产电；（2）可在常温常压下运行，对运行环境无特殊要求；（3）可以实现不同种类的废水处理；（4）伴随废水处理过程产生的气体无需进一步处理，环境友好。表1MFC与传统废水生物处理技术的对比近年来，微生物燃料电池被尝试用来处理富含生物可降解有机物的废水，表2列举了目前MFC用于废水处理的现状[6]。另有实验表明，微生物燃料电池技术在化工废水,制药废水,畜牧养殖废水,食品加工废水,垃圾渗滤液,含氮废水等废水中的处理效果也很乐观[7]。表2微生物燃料电池用于废水处理的一些实例4微生物燃料电池废水处理的主要问题及解决方法微生物燃料电池技术在许多方面已经取得了重大突破，但依然没有解决处理废水速率慢、功率低的问题。目前，微生物燃料电池废水处理面临的主要问题包括:(1)微生物细菌与电极之间的电子传递过程缓慢，产电功率密度低。(2)对于细菌本身的呼吸方式和电子传递到电极机理研究不够，没有建立起完善的体系。(3)使用价格不菲的碳纸、载铂碳纸等材料作电极等因素导致了电池的造价成本高，增加了MFC技术在废水处理领域的应用成本。而MFC多以间歇操作为主，且反应器容积过小，这些结构上的缺陷也严重制约了MFC技术的发展和废水处理领域的大规模实际应用。(4）研究的阳极底物一般仅为有机养料和模拟废水的混合物，对高有机物浓度废水的MFC技术研究较少，针对废水处理的MFC基础研究较少。针对以上问题，还需要在以下几个方面进行进一步研究，以推动MFC技术在废水处理方面的实际应用：（1）开发高效的直接电子传递型产电菌种，通过菌群组合、基因改造等方法优化产电菌群。（2）研究生物兼容性好，电子传递性能优秀的电极材料，促进阳极电子传递过程，改善电池功率输出。（3）优化反应器结构，减少传质阻力，增大反应器容积，提高输出功率。（4）加强MFC技术在废水处理领域的基础研究，研究MFC对高有机物浓度废水的处理效率及处理机理。5.微生物燃料电池技术研究方向面对能源危机和环境污染这两大问题，微生物燃料电池这种创新性的水处理技术，显示出极大的研究和应用价值，但是要实现MFC的实际应用，关键问题是提高其产电能力和废水中污染物的去除效率．建议今后主要开展以下研究：(1)对微生物产电机理进行深入研究，以提高微生物的电子传递效率，或是寻找更高电化学活性的微生物；(2)进一步优化反应器的结构；寻求新型高效的电极材料；(3)深入开展MFC处理各类典型工业废水、生活污水的工艺条件和降解机理研究．相信随着研究的不断深入，MFC处理废水技术必将在废水的处理中得到应用与推广[7]。5结语微生物燃料电池技术代表了未来水处理技术的发展方向。近几年时间来，MFC技术分别在微生物、系统构型与材料方面取得了重大发现。但是在改善电极电化学性能、提高电池输出功率密度及降低电池成本等方面还需进行深入探索。相信随着MFC研究的不断深入,MFC的工业化应用将为期不远。6参考文献[1]赵正权，徐冬，张浩，等.中国污水处理电耗分析和节能途径[J].节能减排，2010,28（22）:43-47.[2]张吉强，郑平，季军远.微生物燃料电池及其在环境领域的应用[J].水处理技术，2013,39（1）:12-18.[3]姜秀华.利用微生物电池技术处理废水[J].科技创新，2013,18（1):62[4]丁薇薇，等.微生物燃料电池技术处理水中污染物的可行性研究[J].[5]孙建，胡勇有，等.废水处理新概念——微生物燃料电池技术研究进展[J].工业用水与废水，2008,39（1）：1-6.[6]张静，等.微生物燃料电池技术最新研究进展[J].三峡环境与生态，2013,35（2）：19.[7]郭伟，王艺菲，银晓靖，等.微生物燃料电池在废水处理中的应用研究进展[J].河南师范大学学报（自然科学版),2012,1(40):94-95.[8]郭伟，王艺菲，银晓靖，等.微生物燃料电池在废水处理中的应用研究进展[J].河南师范大学学报（自然科学版),2012,1(40):95.