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微生物电池技术处理废水

2015-02-04 14:15:38来源:中国污水处理工程网浏览:评论:0

  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%,而美国等发达国家更高达3%。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。进入21 世纪,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。
 

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  1 微生物燃料电池特点

  微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,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

  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 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[8]。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[9]。与传统废水生物处理技术相比,MFC 具有其独特优势(见表1)。和传统的废水处理技术相比,微生物燃料电池具有以下特点:(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。

  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:

  4.1 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。

  4.2 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。

  4.3 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。

  4.4 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 结束语

  微生物燃料电池废水处理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。

 

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