微生物燃料電池在環(huán)境工程專業(yè)教學中的應用

張寶剛，楊廣元, 胡偉武, 馮傳平

1.中國地質大學（北京）水資源與環(huán)境學院，北京 100083 2.內(nèi)蒙古第二水文地質工程地質勘查院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，民眾的環(huán)保意識也逐步增強，相應地，對環(huán)境保護人才的需求也逐步加大。環(huán)境工程也逐步成為我國大多數(shù)高校都開設的理工科專業(yè)。環(huán)境工程專業(yè)具有綜合性強、涉及面廣的特點，其課程目標主要是立足于大氣污染控制、水污染控制、固體廢棄物處理與處置以及噪聲、電磁輻射熱污染等其他公害的防治技術等內(nèi)容，培養(yǎng)具有扎實的理論基礎、熟練的專業(yè)技能，知識面寬、適應性強，初步具備環(huán)境技術和給水排水工程領域的科學研究和實際工作能力的高級工程技術人才，以適應社會的要求[1-2]。

在環(huán)境工程專業(yè)現(xiàn)有教學工作的基礎上，緊密結合高校自身的辦學特點，探索和研究具有自身特色的教學環(huán)節(jié)，加強課程的滲透力，是提高環(huán)境工程專業(yè)教學質量的重要手段之一。而模型案例可以增加教學的形象性與趣味性，在環(huán)境工程教學中歷來占有重要位置。引入適當模型，可強化環(huán)境工程專業(yè)課程的教學效果，體現(xiàn)中國地質大學（北京）在地下水領域的教學和研究的優(yōu)勢。而最近新興的微生物燃料電池技術（Microbial Fuel Cells, MFCs）具有很好的綜合性與全面性，可引入到環(huán)境工程專業(yè)的教學中，收獲良好的教學效果。

一、微生物燃料電池技術引入到環(huán)境工程專業(yè)教學的可行性

中國地質大學（北京）環(huán)境工程課程設置堅持“特色+精品”的理念，課程設置特色在于既注重理論知識的教學，又重視能力和素質的培養(yǎng)，既充分體現(xiàn)我校在地下水領域的教學和研究的優(yōu)勢，又注意拓寬專業(yè)口徑，努力培養(yǎng)“品德優(yōu)良、基礎厚實、知識廣博、專業(yè)精深”的高素質創(chuàng)新人才[3]。主要學科基礎有化學（無機化學、有機化學、物理化學、分析化學等）、力學（工程力學、流體力學等）、微生物學、生態(tài)學、電工學、測量學、工程圖學、水文學與水文地質學等。主干課程有水質工程學、管道工程學、大氣污染控制工程、固體廢物處理處置工程、流體力學與流體機械、環(huán)境學、化工原理、環(huán)境化學、環(huán)境微生物學、環(huán)境生態(tài)學、環(huán)境水文地質學、水文與水資源保護、環(huán)境評價、環(huán)境規(guī)劃與管理、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境工程設計施工與技術經(jīng)濟[4]。

微生物燃料電池可以同時處理污染物并產(chǎn)電，是未來理想的廢棄物資源化工藝。這是一種以微生物為陽極催化劑將化學能直接轉化成電能的裝置，如圖1所示。其原理是細菌降解有機物，釋放出電子與質子，電子通過微生物的作用轉移到陽極，再通過外電路到達陰極，從而產(chǎn)生電流；而質子通過分隔材料到達陰極，并與電子及高電極電勢物質（通常是氧氣）結合，從而完成微生物燃料電池的整個反應。與常規(guī)燃料電池相比，微生物燃料電池以微生物代替昂貴的化學催化劑，因而具有以下優(yōu)點[5]：（1）燃料來源廣泛；（2）反應條件溫和，常溫常壓下即可運行；（3）環(huán)境友好，無酸、堿、重金屬等污染物產(chǎn)生；（4）因能量轉化過程無燃燒步驟，理論轉化效率較高。

圖1 微生物燃料電池結構示意圖[3]

早在1911年，英國植物學家Potter便發(fā)現(xiàn)細菌培養(yǎng)液可以產(chǎn)生電流，這是關于微生物燃料電池的最早報道[6]。1984年，美國制造了一種能在外太空使用的微生物燃料電池，用以處理宇航員的尿液。近年來，微生物燃料電池技術因其本身的諸多優(yōu)點及應用范圍的擴大，引起世界各國研究者的高度關注，而其研究涉及材料學、電化學、微生物學以及流體力學、機械原理等多方面，這與環(huán)境工程的教學與研究方向具有高度的一致性，因而可以將此引入到環(huán)境工程教學的各個方面，尤其與中國地質大學（北京）的環(huán)境工程專業(yè)教學相結合。

歸納起來，中國地質大學（北京）環(huán)境工程專業(yè)的主要知識點有學科基礎理論與技能、環(huán)境相關基礎知識、污染控制技術（包括水污染、大氣污染、固體廢物污染等）、環(huán)保處理設施與工藝設計、環(huán)境與經(jīng)濟社會相關知識等。微生物燃料電池技術的發(fā)展與環(huán)境工程專業(yè)的主要知識點，尤其前三點都密切相關，可以通過教學設計，將其引入，提升教學質量，達到更好的教學效果。

二、新型案例教學設計

基于對微生物燃料電池多年的研究基礎及對環(huán)境工程專業(yè)的認識，筆者總結了微生物燃料電池與以下課程的結合。

1.水質工程學教學

水質工程學圍繞水的性質、給水和污水的水質特征與水質指標、水體污染及危害、改善水質的工程學原理、設計計算方法、各種水處理的理論、方法、技術以及各種給水和污水處理系統(tǒng)而展開。其重點之一即為研發(fā)新型的污染控制技術，以及其與傳統(tǒng)技術的結合與組合。微生物燃料電池作為一種有應用前景的新技術，近年來得到廣泛關注，也取得了進展。而微生物燃料電池可以作為案例，引入到水質工程學的教學中來。

在講授生物處理部分，可以引入微生物燃料電池這項新技術。首先需要向學生講清楚微生物燃料處理廢水的原理。在微生物燃料電池陽極室內(nèi)，同時發(fā)生著厭氧生物處理、電化學氧化、生物氧化與生物混凝等多個過程，并逐一介紹此四個過程的原理特征。然后向學生介紹當前應用微生物燃料電池技術進行污染處理的研究狀況。近年來，一系列富含生物可降解有機物的廢水，在微生物燃料電池中逐漸被嘗試用來產(chǎn)電，同時廢水本身得到降解。在介紹完整體研究狀況后，任課教師可以根據(jù)熟悉的特征廢水，展開而深入地向學生展示。需要提及的是，氮污染控制是當下環(huán)境保護工作的重點，微生物燃料電池處理含氮廢水是該技術在廢水處理領域最重要的應用之一，也與中國地質大學（北京）以地下水污染防治為特色的環(huán)境工程教學特點密切相關。微生物燃料電池生物脫氮的研究最早開始于2004年，研究者發(fā)現(xiàn)當陰極電勢控制在-500mV時，微生物能夠直接以陰極作為電子供體將NO3-還原[7]，這對微生物燃料電池處理含氮廢水的實際應用具有十分重要的意義。同時也需要向學生說明，當前受制于材料成本，微生物燃料電池處理廢水還只停留在實驗室研究，還未真正應用。這樣既向學生傳授了生物水處理的相關知識，又激發(fā)學生進行深入了解研究的動力，培養(yǎng)了學生善于思考與聯(lián)想的能力。

在講授水處理系統(tǒng)部分時，在講解完生活污水傳統(tǒng)的處理工藝的基礎上，可以針對當下相對難以處理的工業(yè)廢水，介紹基于微生物燃料電池的新型處理工藝。如筆者所在的課題組嘗試用UASBMFC-BAF的組合工藝處理糖蜜酒精廢水[8]，高效去除污染物的同時，并獲得1410.2mW/m2的最大功率密度。其中，在UASB單元高效去除COD并進行硫酸鹽還原，MFC單元氧化硫化物的同時產(chǎn)電，BAF單元去除色度并降解苯酚衍生物。與常規(guī)工藝的結合為MFC在污水處理方面的應用提供了新的思路，成為一種很有前途的處理方式。這除了向學生傳遞了水處理工藝的相關知識，也示范了工藝組合的特點與基本規(guī)律，培養(yǎng)了學生講自己所學的水處理技術融會貫通，靈活運用的能力。

2.固體廢物處理處置工程教學

固體廢物處理處置工程主要對固體廢物的來源、分類、特點、污染控制途徑、處理處置技術以及全面管理進行了概括論述，研究固體廢物的處理技術、資源化技術和最終處置技術方法，并通過實驗解決一些實際問題，是環(huán)境工程專業(yè)必修的專業(yè)課程。其中堆肥處理是主要的資源化技術之一，在講到堆肥部分時，可以介紹微生物燃料電池固體廢物堆肥中的應用案例，即微生物燃料電池既可以處理廢水，也可以處理固體廢物，展示了該技術良好的發(fā)展前景。其在固體廢物堆肥中，底物不需要頻繁更換，而且有機質含量高，堆肥過程自身產(chǎn)熱可提高溫度，為堆肥過程中形成的高度復雜的微生物種群的富集和生長提供了更加穩(wěn)定的外部環(huán)境，當前以廚余垃圾和園林肥料為原料的堆肥微生物燃料電池也已經(jīng)有報道[9]。

剩余污泥是城市污水處理廠運行中最為頭疼的問題，在講授城市污水處理廠剩余污泥處理處置部分時，可以著重介紹微生物燃料電池在剩余污泥資源化過程中的應用，微生物燃料電池可以將剩余污泥中的化學能轉化為最清潔的電能，為污泥資源化提供了新的思路。具體包括直接利用剩余污泥與間接利用剩余污泥兩方面，前者是直接以剩余污泥為燃料，在輸出電能的同時，能達到良好的污泥減量效果；后者是分別以剩余污泥微波預處理上清液與剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸作為燃料，可以有效地資源化利用剩余污泥，同時達到污泥減量的目的。將此類案例介紹給學生，既可以傳授了固體廢物資源化與處置的相關知識點，又可以激發(fā)學生的學習熱情，提高教學質量，并且進一步培養(yǎng)了學生環(huán)境工程意識和環(huán)境工程研究的能力，進一步培養(yǎng)了學生分析和解決環(huán)境工程實際問題的能力。

3.環(huán)境學教學

環(huán)境學是環(huán)境類專業(yè)本科生的專業(yè)基礎課程，旨在使學生正確理解和掌握與環(huán)境問題有關的基本概念、基本知識以及基本原理，以便為學習后續(xù)課程奠定必要的基礎。而微生物燃料電池與其課程教學也有密切聯(lián)系，可以成為增強教學效果的有力工具。

污染物是環(huán)境工程的處理目標，而污染物指標是檢驗環(huán)境技術優(yōu)劣的標準，在水體污染教學方面，五日生活需氧量（BOD5）的含義與測定是教學中的一項重要內(nèi)容。常規(guī)BOD5測定主要采用呼吸法，該法測定較為復雜，而且耗時長，基于微生物燃料電池工作原理的BOD5傳感器具有良好的應用前景，其電流或電壓與污染物濃度呈現(xiàn)良好的線性關系，而且能夠快速響應，并且測量范圍較寬，結果具有良好的重復性，因此成為微生物燃料電池實際應用領域較為重要的直接應用方向。在利用微生物燃料電池類型的傳感器測定BOD5時，以待測廢水為陽極液，通過之前測定的電壓與濃度對應關系，讀取電壓值，便可換算為BOD5的濃度。此測定方法發(fā)現(xiàn)電池轉移電荷與BOD5之間呈明顯的線性關系，相關系數(shù)達到0.99，標準偏差為3%～12%。而且微生物燃料電池類型的BOD5傳感器響應快，恢復能力強，當污水濃度發(fā)生變化時，電流滯后1h即可達到穩(wěn)定。而且微生物燃料電池型BOD5測定方法的另一突出優(yōu)點是可連續(xù)運行，無需路外保養(yǎng)。通過介紹微生物燃料電池在測定BOD5中的應用，可以加深學生對BOD5的理解，傳授了水體污染指標的概念，也培養(yǎng)了學生觸類旁通、理論聯(lián)系實際的能力。

在環(huán)境學課程講授中，會涉及全球的能源與環(huán)境問題，也會提到一些新型的清潔能源如氫能、核能等。此時可以介紹微生物燃料電池電助產(chǎn)氫的相關知識，這也是微生物燃料電池可能直接利用的主要形式。根據(jù)電化學理論，電解水的分解電壓為1.6V，而在無氧氣存在的條件下，在雙室微生物燃料電池陰極施加一個遠小于水的分解電壓的小電壓（一般小于0.8V），可以促進外電路轉移至陰極的電子和陽極轉移至陰極的質子結合而生成氫氣，從而達到利用微生物燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生氫氣的目的，該工藝產(chǎn)生的氫氣純度較高，并可以積累和儲存以及運輸，克服了以前微生物燃料電池輸出功率低、無法直接應用的缺點，從而促進微生物燃料電池技術朝著實際應用又邁進了一步。這一方面可以吸引學生更深的了解微生物燃料電池技術，而且培養(yǎng)學生的研發(fā)興趣與愛好，另一方面?zhèn)魇诹藲淠艿惹鍧嵞茉吹南嚓P知識，拓展了氫能的來源，啟發(fā)了學生深入探究、勤于聯(lián)想的能力，取得良好的教學效果。

三、課堂教學實踐

在中國地質大學（北京），筆者主要參與環(huán)境工程專業(yè)基礎課與專業(yè)課的教學。在實際教學中，將微生物燃料電池的研究心得與實際教學相結合，對教學起到很好的促進作用。如在環(huán)境專業(yè)基礎課有機化學的教學中，在講授烯烴部分時，講到石墨烯作為微生物燃料電池陽極的優(yōu)點，更多地利用了其比表面積大、易于微生物附著的特征，促進了微生物燃料電池的產(chǎn)電與污染物去除，使得學生對于石墨烯的應用有了更直觀的認識，對教學起到了促進與拓展的作用，符合當下理論聯(lián)系實際的教學思路。在環(huán)境專業(yè)主干課環(huán)境生態(tài)學的教學中，將水生生態(tài)系統(tǒng)部分引入微生物燃料電池的概念，介紹了產(chǎn)電微生物的工作原理及特性，并介紹了沉積物微生物燃料電池的工作原理及應用，這不僅向學生傳遞了水生生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境微生物的類群與功能，以及污染物在水生生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉化規(guī)律等知識點，而且可以使學生明晰微生物燃料電池的在其中所起的作用，形象地展示了微生物燃料電池參與污染遷移轉化的過程，對于此部分知識的教學，起到很好的促進作用。講到這些案例時，學生的學習熱情都比較高漲，教學效果明顯提升?？梢娢⑸锶剂想姵卮_實是良好的教學載體，有助于提高環(huán)境工程教學的質量，筆者在后續(xù)教學中還需進一步完善提煉。

四、結束語

以環(huán)境保護案例介紹與環(huán)境污染控制技術研發(fā)為主要特點的環(huán)境工程教學，微生物燃料電池技術的發(fā)展為其提供了良好的教學案例，并可以與傳統(tǒng)好氧、厭氧水處理技術相聯(lián)系，因此可以引入到環(huán)境工程主要專業(yè)課程的教學中來，啟發(fā)學生進行深入探討，并且進行類比，使得案例教學法與類比法可以自然的引入到環(huán)境工程的教學中，收獲良好的教學效果。同時，該技術又在不斷發(fā)展中，課堂的引入能夠激發(fā)更多人對該技術的關注與探討，促進該技術的進一步發(fā)展。在下一步教學實踐中，各科目任課教師可深入挖掘，多多總結，以微生物燃料電池為載體，努力提高環(huán)境工程專業(yè)的教學效果。

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