微生物發(fā)電及其應用研究

王瑋瑤，張鐵瀚

（湖南工程學院 應用技術(shù)學院，湘潭411104）

0 引 言

當今社會，能源的缺乏以及環(huán)境污染已成為世界最關(guān)注的問題之一，即能源愈來愈匱乏，而生活垃圾（含生活污水）愈來愈多，在不遠的未來將嚴重地影響著人們的日常生活.能否讓當今社會日益增多的污染物轉(zhuǎn)變?yōu)椴粩嗳狈Φ哪茉茨?環(huán)保界有這樣一句話：＂世界上本沒有垃圾，廢物是放錯了地方的資源＂.目前廣泛采用的生活污水處理技術(shù)主要包括好氧生物處理和厭氧生物處理兩種方法.前者要消耗大量能量，運行費用高；后者運行費較低，但甲烷的回收利用問題沒有得到很好的改善.有機廢水中含有大量易生物降解物質(zhì)，如果能夠利用這些物質(zhì)直接回收能源，則將克服傳統(tǒng)污水生物處理的固有缺點，并從根本上緩解當今人類面臨的水污染與能源短缺問題.所以，文章提出利用微生物來發(fā)電，一方面可以改善污水問題，另一方面可以緩解能源短缺問題.

1 基于微生物發(fā)電的探究

1.1 基本原理

微生物發(fā)電就是在含有有機物的培養(yǎng)液中，細菌群可以得到豐富的食物來源，讓它們得以生存和繁衍，而在這個過程中，細菌群可以向陽極釋放電子，電子通過陽極與陰極相連的導線移動到陰極，而電子在導線中的運動過程就形成了人們所需要的電流.那么選擇何種微生物比較安全且在日常生活中易獲取和培養(yǎng)至關(guān)重要.目前的研究已證明，可用于發(fā)電的細菌有脫硫菌家族，這個家族的細菌在淡水環(huán)境中很普遍，而且已被廣泛用于消除含硫的有機污染物.在外界環(huán)境不利或養(yǎng)分不足時，脫硫菌可以變成袍子態(tài)，而袍子能夠在高溫、強輻射等惡劣環(huán)境中生存，一旦環(huán)境有利又可以長成正常狀態(tài)的菌株.

1.2 研究進展

目前，微生物發(fā)電在許多國家已開展研究.廣泛使用的沼氣發(fā)電也是微生物發(fā)電原理的間接應用之一（微生物分解垃圾，產(chǎn)生沼氣，再利用沼氣發(fā)電）.

有科學家提出，牛胃液可產(chǎn)生等同于1節(jié)5號電池的電力，電能源自牛胃液中的微生物.據(jù)西班牙皇家化學學會新近公布的一項研究報告宣稱，牛胃液中所含的細菌群在分解植物纖維的過程中能夠產(chǎn)生電力，電能約與1節(jié)5號電池相當.牛羊等反芻動物都有兩個胃，牛的第一個胃被稱為瘤胃.瘤胃分泌的胃液中含有大量微生物，當牛進食含有大量植物纖維的食物時，胃液中的微生物便將植物纖維分解，分解過程中便產(chǎn)生了電子.科學家利用針頭和玻璃除菌箱將牛的胃液導出，并模擬牛的消化過程，利用胃液中的微生物成功產(chǎn)生了電力.半公升牛的瘤胃胃液中含有的微生物約能產(chǎn)生600mV的電能.

這種微生物在牛的糞便中也有，而牛的糞便又可以直接給燃料電池提供能量.用牛糞制成的燃料充電電池每節(jié)電池能夠產(chǎn)生300mV到400mV的電能.

也有以玉米淀粉生產(chǎn)過程中的浸泡液 （玉米浸泡液）作為接種液和基質(zhì)，利用“三合一”膜電極的單室空氣陰極微生物燃料電池進行試驗，采用在線監(jiān)測電壓和廢水分析方法對發(fā)電功率和化學需氧量（COD）、氨氮進行測定，探討高COD、高氨氮有機廢水產(chǎn)電及廢水處理的可行性.結(jié)果表明，經(jīng)過94d（1個周期 ）的連續(xù)運行（固定外電阻為1000Ω），17d時輸出電壓達到最大（525.0mV），穩(wěn)定期最大輸出功率可達169.6mW／m2，此時電池相應的電流密度為440.2mA／m2，內(nèi)阻約為350Ω ，開路電壓619.5mV；但燃料電池電子利用效率較低（庫侖效率為1.6%）；1個周期結(jié)束時浸泡液的COD去除率達到51.6%，氨氮去除率25.8%.本試驗利用玉米浸泡液成功獲得電能，同時對浸泡液有效地進行了處理，為其資源化利用提供新途徑[1].

我國福建圣農(nóng)集團早就采用雞糞和谷殼為燃料進行高效率流化床焚燒直接燃料，開展生物質(zhì)發(fā)電研究.它雖然可以解決一些廢用糞便等問題，但仍然存在諸多環(huán)境污染問題，比如鍋爐煙氣中SO2、NO2煙塵對周圍環(huán)境空氣的影響；該項目產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝廢水和生活污水最大產(chǎn)生量為11.4TH，直接排出會導致水體污染.還有就是該項目燃料儲存?zhèn)}產(chǎn)生異味，燃料中轉(zhuǎn)點和燃料運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的無組織排放的惡臭對周圍環(huán)境空氣的影響等問題.[2]

目前利用微生物研發(fā)電池取得的進展比較大.微生物燃料電池 （microbial fuel cell，MFC）是近年發(fā)展起來的清潔能源技術(shù)，它能通過微生物將化學能轉(zhuǎn)化為電能，達到同時處理廢水和生物發(fā)電的目的，利用這種技術(shù)處理廢水是目前研究的主要方向之一.MFC分為單室型和雙室型2種構(gòu)型，其中不使用質(zhì)子交換膜的單室結(jié)構(gòu)，內(nèi)阻低 ，輸出功率高；同時，單室型反應器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低 等特點，在污水處理領(lǐng)域具有廣闊的工程應用前景.MFC的產(chǎn)電性能與廢水底物類型、有機物濃度等有密切關(guān)系，以及溶液的離子濃度，而目前在應用單室型MFC處理實際廢水的研究中，進水COD負荷還比較低，仍然缺少對運行參數(shù)優(yōu)化和影響條件的研究.

目前制約MFC功率密度的最大因素是電子傳遞過程.電子轉(zhuǎn)移速率由電子供體與受體間的距離等多種因素決定.

2 微生物發(fā)電試驗

2.1 試驗設計

首先需要驗證微生物發(fā)電的可行性.實驗的前期工作很重要，如大腸桿菌培養(yǎng)基嘗試制作實驗、制作伊紅美藍培養(yǎng)基檢測培養(yǎng)大腸桿菌的實驗、配制新的培養(yǎng)基并對大腸桿菌進行擴大培養(yǎng)的實驗等.培養(yǎng)大腸桿菌方法步驟如下.

2.1.1 采集水標本

步驟一：充分利用本地區(qū)資源，采集水標本500 mL，靜置沉淀；

步驟二：過濾靜置后的水標本150mL（先將濾紙折好，用玻璃棒抵住3層濾紙的一邊，讓標本水沿著玻璃棒流進濾紙內(nèi)）；

步驟三：將該過濾后的濾紙保存下來.

2.1.2 配制培養(yǎng)基

步驟一：①稱取5g瓊脂，2g牛肉膏，2g蛋白胨.②配置成200mL營養(yǎng)液.

步驟二：①因為伊紅微溶于水，所以改進了進行溶解的方法（將沸水緩慢加入到依紅粉末中，同時保持加熱，并進行攪拌，使其最大程度溶解）.②但即使采取上述方法，依然有大量未溶解的伊紅粉末，于是過濾，配制成100mL伊紅溶液.③由于美藍極易溶于水，所以配制100mL濃度極低的美藍溶液.④將配好的依紅溶液和美藍溶液再按10∶1混合，配置成50mL伊紅美藍混合液.

步驟三：①將伊紅美藍的混合液與步驟一中配制的營養(yǎng)液混合（圖1所示）.②加水，制成250mL的伊紅美藍培養(yǎng)液.③加熱攪拌，使其混合均勻.

步驟四：①將已消毒的培養(yǎng)皿周圍點上酒精燈.②將步驟三中配制好的伊紅美藍培養(yǎng)液倒入該培養(yǎng)皿中，并蓋好轉(zhuǎn)移到一個溫度較低的陰暗環(huán)境，有利于其保存.

步驟五：最后制作出的培養(yǎng)基是呈紫色，半透明，凝固的膠體.

圖1 培養(yǎng)基的制作

2.1.3 接種

步驟一：①將凝固后的培養(yǎng)基放在點燃的酒精燈旁.②用鑷子在酒精燈上進行消毒工作（圖2所示）.

步驟二：①待鑷子冷卻后，夾起步驟1中的濾紙（過濾過水的濾紙），在火焰旁打開該培養(yǎng)皿蓋.②將步驟1中的濾紙的過濾面覆蓋于培養(yǎng)基上.③將接種后的培養(yǎng)基轉(zhuǎn)移到有陽光或溫度較高適宜微生物繁殖的地方，加速其繁殖.

圖2 培養(yǎng)基的接種

步驟三：用正規(guī)的接種方式將其他幾個培養(yǎng)基蘸水接種.

2.2 試驗發(fā)電

將配制好的培養(yǎng)液和大腸桿菌液各倒50mL入兩個大小相同的燒杯中，鹽橋相連接兩個燒杯；然后用硌酸洗滌鉑電極的鉑質(zhì)電極頭，再用蒸餾水清洗一遍，以洗去殘留在電極頭上的硌酸；將鉑電極和甘汞電極甘汞電極與微安電流表相連接（圖3所示）；再將甘汞電極與鉑電極插入大腸桿菌液中，觀察微安電流表，發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)約為3～4uA.實驗證明微生物確實可以發(fā)電（圖4所示）.

圖3 發(fā)電試驗裝置

圖4 發(fā)出的電流使電流表指針偏轉(zhuǎn)

需要注意的是：在驗證發(fā)電的時候，需要排除其他實驗材料發(fā)電的可能性，所以需要做幾組對比試驗，才能準確的驗證確實是有活性的，在繁殖的大腸桿菌才能發(fā)電.還有就是實驗消毒環(huán)節(jié)要注意，微生物的接種必須在紫光燈實驗環(huán)境下.

3 應用研究

目前，微生物發(fā)電的應用研究主要基于微生物燃料電池領(lǐng)域.在能源和水資源日益匱乏的今天，融合了產(chǎn)生電能和廢水處理兩個功能的微生物燃料電池在新能源領(lǐng)域正受到廣泛關(guān)注.微生物燃料電池（Microbial Fuel Cells，MFCs）是一種利用微生物作為催化劑，直接將有機物的化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置.利用MFCs可直接降解水中的有機污染物，同時產(chǎn)生電能，回收有機污染物的部分化學能，這種變廢為寶的優(yōu)勢使MFCs近年來在廢水處理及新能源開發(fā)領(lǐng)域的研究成為熱點.

以葡萄糖作為燃料電池的燃料，陰陽兩極的電化學反應式如下.

如式（1）、式（2）所示，在陽極室中，微生物通過呼吸作用催化底物脫氫，產(chǎn)生電子，此時陽極電極作為臨時的電子受體吸收電子，并通過回路將電子傳遞到陰極表面，O2作為最終電子受體與通過質(zhì)子交換膜傳遞過來的氫質(zhì)子結(jié)合生成H2O.陽極室內(nèi)，微生物產(chǎn)電、產(chǎn)氫并進行傳遞，是 MFC產(chǎn)電的關(guān)鍵.從動力學因素看，微生物自主放電的活化勢比較高，使其在電極表面的反應速率低.所以培養(yǎng)馴化產(chǎn)電效率高的菌種以及擴大陽極表面積，富集更多微生物，生成更大面積的生物膜，是提高電能的方法.目前，人們圍繞產(chǎn)電性能的提高，從電池結(jié)構(gòu)的設計、電極材料的選擇、產(chǎn)電產(chǎn)氫菌的培養(yǎng)以及對電解質(zhì)溶液環(huán)境的改變（如pH值、溫度、離子強度等）等各個方面進行研究取得了一定的成果[3].

[1]盧 娜，周順桂 ，張錦濤，倪晉仁，等，利用玉米浸泡液產(chǎn)生電的微生物燃料電池研究[J].環(huán)境科學報，2009，30（2）.

[2]李家兵，等.生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在治理規(guī)?；B(yǎng)雞場雞糞污染中的應用——以福建圣農(nóng)集團為例[J].能源與環(huán)境，2008（2）.

[3]崔婭楠，由宏新，等，利用生物活性炭提高微生物燃料電池產(chǎn)電性能[J].化工進展，2009，28（11）.