查湘義

摘 要：微生物燃料電池是在微生物的作用下，將有機物分解，同時產(chǎn)生電能的一種技術(shù)，是污水微生物處理的一個新的應(yīng)用方向。本文介紹了微生物燃料電池的工作原理，并對該技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀做了詳細的論述，提出微生物燃料電池是將來解決能源、環(huán)境問題的有效途徑。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池；廢水處理；應(yīng)用

隨著人口的不斷增長，人們生活水平高的不斷提高，人類對能源的需求量呈逐年遞增的趨勢，能源日益短缺和能源需求之間的矛盾也越來越明顯。能源作為一種不可再生的資源，有的地區(qū)甚至面臨枯竭，如石油、煤炭等。而在利用能源方面，存在著利用率低、開采效率低，燃燒后易產(chǎn)生環(huán)境污染等問題。因此，新型能源的開發(fā)利用受到研究人員的關(guān)注。微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）符合上述環(huán)境和能源需求，一方面能夠去除污水中的有機污染物，同時利用微生物還能產(chǎn)生電能，實現(xiàn)污水處理和能源開發(fā)并進的雙重優(yōu)點，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1 微生物燃料電池工作原理

1911年，英國植物學(xué)家Potter在進行酵母和大腸桿菌試驗時，發(fā)現(xiàn)利用微生物可以產(chǎn)生電流。因此，污水中的有機物通過此類產(chǎn)電菌代謝降解，并將降解過程中產(chǎn)生的電子傳遞到電路輸出電能，便形成了微生物燃料電池的基本工作過程。微生物燃料電池起主要作用是產(chǎn)電微生物，而該微生物分為有介體微生物（需要利用介體完成電子的傳遞）和無介體微生物（不需要利用介體完成電子的傳遞），其中無介體微生物是 MFC 研究的重點。符合這種產(chǎn)電的微生物有希瓦氏菌、硫還原地桿菌、銅綠假單胞菌、大腸桿菌、丁酸梭菌等。從微生物燃料電池的構(gòu)造上看，微生物燃料電池一般單室和雙室（陰、陽兩個電極室），雙室中間由質(zhì)子交換膜隔開。在陽極室中，廢水中的有機物被產(chǎn)電微生物氧化降解，產(chǎn)生的電子通過電路傳遞給陰極，隨著陽極室氧化反應(yīng)和陰極室還原反應(yīng)的持續(xù)進行，電子不斷通過外電路傳遞而形成持續(xù)的電流。

2 MFC電極應(yīng)用現(xiàn)狀

電極材料是構(gòu)成MFC成本的關(guān)鍵因素，因此開發(fā)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性強、成本低廉的電極能夠有效降低MFC的成本，推進MFC的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2.1 陽極材料

傳統(tǒng)陽極材料有碳棒、石墨片、石墨顆粒等，其優(yōu)點是高導(dǎo)電性、適合細菌生長，但內(nèi)阻較大導(dǎo)致產(chǎn)電率低。而碳納米材料不僅具有傳統(tǒng)陽極材料的優(yōu)點，而且表面積大，更加適合細菌附著。①碳納米管陽極材料。碳納米管以其良好的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、高比表面積、極強的化學(xué)惰性，在電子傳遞、微生物附著等方面具有較大的優(yōu)勢，是一種十分理想的電極材料。梁鵬[1]等考察了碳納米管為陽極材料的電池產(chǎn)電性能，其功率密度為402mW/m2，內(nèi)阻為263

？偩i 。相比活性碳和柔性石墨陽極材料，碳納米管不僅降低了陽極內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻，而且?guī)靷愋室哺哂谄渌麅煞N材料。②石墨烯陽極材料。通過對多壁碳納米管的縱向切割和拆解，然后修飾在以碳紙為基礎(chǔ)的陽極上，可以大大提高MFC的電流密度。③修飾改性陽極材料。對陽極材料表面進行修飾改性，可以大大增加陽極材料表面積，提高陽極的反應(yīng)活性，加快了微生物與陽極之間的電子傳遞速度，從而增加系統(tǒng)的產(chǎn)電能力。

2.2 陰極材料

MFC 的陰極是接受由陽極所傳遞過來的電子，一般包括生物陰極、電解液陰極和空氣陰極。 空氣（主要是氧氣）作為陰極不產(chǎn)生污染、價格低廉，是陰極的首選材料。但是氧氣反應(yīng)速率慢，需要昂貴的金屬鉑作為催化劑來提高速率。因此研發(fā)成本低廉、有利于提高反應(yīng)速率的陰極材料十分重要。如PbO2、MnO2、TiO2、鐵氧化物等以其來源廣泛、價格低廉而得到廣泛的應(yīng)用。相關(guān)試驗表明：利用納米MnO2為陰極材料做成微生物燃料電池處理模擬生活污水，產(chǎn)生的功率密度最大為722 mW/m2，表現(xiàn)出良好的催化性能好，而且價格也較低廉。用TiO2修飾石墨板做成陰極電極，采用這種陰極所得到的功率密度比石墨陰極高230%。

3 MFC裝置在廢水處理中的應(yīng)用

MFC處理廢水主要包括易生物降解的廢水（食品加工廢水、釀酒廢水、市政污水等）和難降解的有機污染物廢水（硝基苯廢水、染料廢水等）， 易生物降解的廢水在陽極室中進行，而難降解廢水需要在共代謝的條件下被有效降解。高秀紅等[2]采用單室微生物燃料電池處理垃圾滲濾液與沉積污泥。試驗結(jié)果表明：輸出電壓最大為251mV，功率密度最大為m10.35W/m2，電池內(nèi)阻為2653而對滲濾液COD去除率為96.18%，氨氮去除率為80.6%，實現(xiàn)了污水凈化和產(chǎn)電一體的效果。靳敏等以空氣作為陰極，采用單室微生物燃料電池對模擬含銅廢水進行處理，考察該裝置的去銅效果。試驗結(jié)果表明：適合的初始pH值為6.0，最大的耐受銅離子濃度為12.5 mg/L，處理后廢水中銅離子濃度為0.5 mg/L，達到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準中總銅排放標準。那冬晨等以雙極室MFC處理不同底物的廢水。其中啤酒廢水、糖蜜廢水、啤酒糖蜜混合廢水作為陽極基質(zhì)，含銀電鍍廢水作為陰極溶液。結(jié)果表明：糖蜜廢水MFC產(chǎn)電量及對COD去除率最高，最高電壓為356mV，功率密度為36.21 mW/m2，陰極Ag+的質(zhì)量濃度由1000 mg/L降至最低為304 mg/L。楊玥等用微生物燃料電池處理和修復(fù)城市黑臭河涌底泥。以河涌底泥作為陽極微生物及陽極基質(zhì)，以鐵氰化鉀溶液為陰極室溶液，構(gòu)建雙室MFC裝置。試驗結(jié)果表明：在外接電阻為1500 時，得到最高輸出電壓為0.753 V，最大輸出功率為4.94 mW/m2，有機質(zhì)最高去除率為7.8%。而在外接電阻為100時，對磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的去除率最佳為29.98%、41.64%和71.52%。

4 結(jié)語

微生物燃料電池不僅能夠利用廢水的有機物污染物作為能源，而且在凈化污水的同時還能產(chǎn)生一定量的電能，實現(xiàn)污水處理和能源開發(fā)并用的效果。同時，微生物燃料電池不同于一般的電池，它具有能源來源多樣化、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)過程中不產(chǎn)生污染物以及能量利用率高等優(yōu)點，因此在當前環(huán)境污染日益嚴重以及能源短缺日益嚴峻的形勢下，微生物燃料電池具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]梁鵬，范志明，曹效鑫，等.碳納米管陽極微生物燃料電池產(chǎn)電特性的研究.環(huán)境科學(xué)，2008， 29（8）： 23562360.

[2]高秀紅，郭彩芳，石瑛君，等.垃圾滲濾液沉積污泥微生物燃料電池的產(chǎn)電性能[J].環(huán)境工程學(xué)報，2016，10（11）：65906523.