微生物燃料電池處理餐廚垃圾性能研究

區(qū)恒煜 杜海霞

摘 ?要：微生物燃料電池（MFC）可以將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，十分適合用于餐廚垃圾的處理。自從2006年起，MFC領(lǐng)域迅速發(fā)展，文章對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了梳理。國(guó)內(nèi)外都對(duì)MFC處理餐廚廢水進(jìn)行了大量研究，MFC處理餐廚廢水被證實(shí)是可行的，產(chǎn)電效率以及餐廚廢水處理效率隨著研究的深入不斷提高，但距離完善和普及仍有一段路要走。對(duì)于餐廚垃圾固體殘?jiān)奶幚?，傳統(tǒng)的焚燒、填埋方式因嚴(yán)重的二次污染等原因被逐漸淘汰，資源化處理正在成為主流，作為一項(xiàng)比較先進(jìn)的技術(shù)，MFC對(duì)餐廚垃圾固體殘?jiān)奶幚砣栽谔剿麟A段，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究仍然比較少，仍待學(xué)術(shù)界對(duì)其進(jìn)行更深層次的研究。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池;餐廚垃圾;油脂;固體殘?jiān)?/p>

中圖分類號(hào)：TM911.45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）19-0081-03

Abstract： Microbial fuel cell （MFC） can convert the chemical energy of organic matter into electrical energy， which is very suitable for the treatment of kitchen waste. Since 2006， the field of MFC has developed rapidly. This paper reviews the relevant literature at home and abroad. A lot of research has been done on the treatment of kitchen wastewater by MFC at home and abroad. MFC treatment of kitchen wastewater has been proved to be feasible. The efficiency of electricity generation and kitchen wastewater treatment has been improved with the deepening of research， but there is still a way to go to improve and popularize. For the treatment of kitchen waste solid residue， the traditional incineration and landfill methods are gradually eliminated due to serious secondary pollution and other reasons， and resource-based treatment is becoming the mainstream. As a relatively advanced technology， MFC is still in the exploration stage in the treatment of kitchen waste solid residue， and the relevant research in China is still relatively small， which needs further research in the academic community.

Keywords： microbial fuel cell; kitchen waste; grease; solid residue

餐廚垃圾，一般指人們餐飲活動(dòng)產(chǎn)生的垃圾，在家庭、食堂和與食品加工相關(guān)的地方較為常見。餐廚垃圾中含有大量有機(jī)物，有很高的水分、油脂和鹽，如果不能得到妥善處理，將嚴(yán)重危害環(huán)境和人體的健康。餐廚垃圾占城市生活垃圾的很大比重，極易滋生有害細(xì)菌，產(chǎn)生有毒氣體，因此容易帶來環(huán)保、健康問題[1]。

當(dāng)下我國(guó)餐飲行業(yè)發(fā)展迅速，同時(shí)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們?cè)桨l(fā)重視食物種類的豐富度，于是我國(guó)餐廚垃圾的排放量急劇增加。在今天，我國(guó)餐廚垃圾處理仍然是處于摸索階段。統(tǒng)計(jì)指出，我國(guó)每年產(chǎn)生餐廚垃圾大約有一億噸[2，3]，幾乎占城市生活垃圾的一半，是我國(guó)城市生活垃圾重要組成部分[4]。傳統(tǒng)的餐廚垃圾處理方式包括填埋、焚燒等，這些方式是不可持續(xù)且不經(jīng)濟(jì)的[5]。餐廚垃圾中蘊(yùn)含有大量的有機(jī)物，這些有機(jī)物里有可觀的可利用資源，若能充分利用，不僅可以降低餐廚垃圾處理的成本和對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，還可以向社會(huì)輸送能源，提高生產(chǎn)力。目前，國(guó)內(nèi)許多中大城市都在積極探索餐廚垃圾資源化處理模式，并采取了管理餐廚垃圾的措施[6]。然而，目前我國(guó)餐廚垃圾的管理和處理體系還不完善。要想實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用餐廚垃圾，我們還有很長(zhǎng)的路要走。

微生物燃料電池（MFC）是一類微生物電化學(xué)系統(tǒng)，其利用厭氧菌群中有電催化活性的產(chǎn)電菌，對(duì)陽極的有機(jī)物進(jìn)行氧化反應(yīng)，將電子轉(zhuǎn)移到陰極，形成電路，從而實(shí)現(xiàn)將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的功能。目前，MFC技術(shù)已經(jīng)在污水處理方面獲得廣泛的采用。

早在20世紀(jì)初期，MFC的概念就已經(jīng)被提出，但直至20世紀(jì)末21世紀(jì)初，各種產(chǎn)電菌被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，人們才開始對(duì)MFC進(jìn)行更廣泛的研究[7]。MFC領(lǐng)域從2006年開始迅速發(fā)展。許多科研人員為了提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能，污染物處理效率、降低成本，進(jìn)行了大量的研究。如今，研究人員構(gòu)造出了單室、多室等MFC構(gòu)型，對(duì)電極材料的研究也備受關(guān)注，石墨、碳紙等材料是如今比較受歡迎的，研究表明增加電極材料的面積或應(yīng)用多孔材料等方式也有助于提高產(chǎn)電性能[8]，質(zhì)子交換膜、產(chǎn)電菌種的選擇等也會(huì)對(duì)MFC的性能產(chǎn)生不容忽視的影響。對(duì)于餐廚垃圾，建立了藻類輔助微生物燃料電池陽極室的厭氧消化槽，被證明可以從多方面改善厭氧消化的效果[9]。

MFC的進(jìn)一步研究仍有很大的完善空間，目前主要應(yīng)用領(lǐng)域是污水處理，但MFC的應(yīng)用有多元化的趨勢(shì)，其無污染且低投入產(chǎn)出比的特點(diǎn)在許多領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。餐廚垃圾中含有大量的有機(jī)物，可利用的化學(xué)能儲(chǔ)備十分豐富，傳統(tǒng)的處理方法又存在許多弊端，故利用微生物燃料電池處理餐廚垃圾是很有研究?jī)r(jià)值的，值得我們深入探究。

1 探明餐廚垃圾中油脂對(duì)微生物燃料電池處理餐廚垃圾性能的影響

餐廚垃圾的物理性質(zhì)為固液混合，化學(xué)成分十分復(fù)雜，含有大量水分，其處理過程中會(huì)產(chǎn)生極高的有機(jī)物含量和顯著的鹽度[10]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于餐廚垃圾的處理方法已經(jīng)進(jìn)行了不少研究，但是通過MFC進(jìn)行餐廚垃圾處理的研究并不深入，這一課題仍有很大的探討價(jià)值。餐廚廢水中含有各種油脂類物質(zhì)，以及大量的懸浮物質(zhì)，容易堵塞排水管道，有些不法商販會(huì)不經(jīng)處理地回收利用這些廢棄物當(dāng)做食品賣出，牟取暴利，危害人體健康[11]。因此，在處理餐廚垃圾的時(shí)候，有必要重視餐廚廢水的處理。

當(dāng)今能源供需矛盾十分嚴(yán)重、環(huán)境問題不容小覷，如果能將餐廚廢水中的巨大生物能源單獨(dú)處理，不僅能減少水和油對(duì)餐廚垃圾處理的不良影響，還可以把這些很可觀的資源轉(zhuǎn)化為清潔的生物能源，實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的高效利用。

微生物燃料電池是一種復(fù)雜的生物電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，許多因素都會(huì)影響其性能。趙煜，馬彥等人[12]以葡萄糖濃度、溫度等作為變量，通過實(shí)驗(yàn)探究這些變量對(duì)反應(yīng)產(chǎn)出的影響，發(fā)現(xiàn)所用設(shè)備輸出功率與葡萄糖濃度呈正相關(guān)，其性能隨溫度升高先升后降，在35℃時(shí)有最佳電化學(xué)性能。餐廚廢水屬于污染量很高、成分復(fù)雜的高有機(jī)物濃度有機(jī)廢水。目前，吸附、混凝、絮凝是餐飲廢水處理的常用方法，存在處理成本高、處理率低等問題，使用微生物燃料電池處理餐廚廢水是一個(gè)合適的思路。樊立萍，苗曉慧[13]利用不同的陰極溶解液分別證明了MFC處理餐廚廢水的可行性并研究了產(chǎn)電性能，通過研究微生物燃料電池在不同溶液和工作環(huán)境下的發(fā)電性能和污水凈化效果，表明了濃度為0.4mol/L的NaCl溶液有比較好的產(chǎn)電和凈水性能，如果NaCl含量過高，則細(xì)菌的活性會(huì)被抑制，所以不應(yīng)當(dāng)使反應(yīng)池的鹽度過高[10，14]。Kazuhiro Hamamoto，Morio Miyahara等人[15]評(píng)估了利用微生物燃料電池從含有植物油的食品工業(yè)廢水中發(fā)電的可能性，采用單室微生物燃料電池對(duì)含大豆油的人工廢水進(jìn)行處理，考察了幾種不同條件下微生物燃料電池的除油效果和發(fā)電量，結(jié)果表明微生物燃料電池可用于含植物油的食品工業(yè)廢水的能量回收。Bahareh Asefi，Shiue-Lin Li等人[16]發(fā)現(xiàn)以含餐廚垃圾的營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基和高錳酸鹽作為陰極的MFC分別在775±21mV和422mW·m-2時(shí)可以獲得最高的閉路電壓和最大功率密度，由餐廚垃圾喂食的MFC產(chǎn)生的電能可以成功收集，以提供間歇性電能來驅(qū)動(dòng)合適的電子設(shè)備，證明了在MFC中由餐廚垃圾產(chǎn)生生物電的能力，具有與其他替代餐廚垃圾處理技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的潛力，因此有必要進(jìn)一步發(fā)展。

通過研究餐廚垃圾中油脂對(duì)厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響，王暾[17]發(fā)現(xiàn)，油脂量對(duì)厭氧消化反應(yīng)器產(chǎn)甲烷效率有先升后降的作用，25%油脂含量的反應(yīng)器產(chǎn)生甲烷效率僅有15%油脂含量反應(yīng)器的41%，而15%實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣效率相比空白對(duì)照組提高了85.7%。微生物燃料電池的陽極也發(fā)生厭氧消化反應(yīng)，有必要研究油脂含量對(duì)其是否會(huì)有類似的影響。為了從餐廚垃圾中分離出油脂，我們可以采用隔油池加熱或濕熱-離心法等方法提取浮油[18]。

2 弄清微生物燃料電池處理餐廚垃圾固體殘?jiān)男Ч皺C(jī)理

餐廚固體垃圾是餐廚垃圾中占據(jù)很大比重的一部分，一些學(xué)者通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，餐廚垃圾的固體殘?jiān)?0%，其中果皮、骨頭等有機(jī)物占比75%[19]。但是由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起步較晚，且早期對(duì)環(huán)境的關(guān)注程度有限，故我國(guó)在這類垃圾資源化的起步相較發(fā)達(dá)國(guó)家較晚，自2010年才開始得到普遍關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)餐廚垃圾處理技術(shù)路線有三類：一類是將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化為肥料;一類致力于利用生物將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化成蛋白飼料;一類通過厭氧消化實(shí)現(xiàn)能源循環(huán)[20]。其中前兩種產(chǎn)業(yè)鏈并不完善，厭氧消化則有比較光明的應(yīng)用前景。通過厭氧消化，可以更經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸，產(chǎn)沼氣以及產(chǎn)氫氣[19]。

在垃圾處理不成熟的階段，通常在對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行預(yù)處理后，分選出的固體垃圾會(huì)運(yùn)往垃圾填埋場(chǎng)或焚燒廠進(jìn)行填埋或焚燒。但是餐廚垃圾有特殊的理化特征和工程處理特性，容易在填埋、焚燒、堆肥處理過程產(chǎn)生惡臭、二噁英超標(biāo)等二次污染[20，21]，而且這些方式還需要占用大量土地。因此，以厭氧消化技術(shù)解決生物質(zhì)固體垃圾是比較不錯(cuò)的思路，對(duì)此，譚旭娜[22]進(jìn)行研究后提出了利用厭氧消化產(chǎn)能的沼氣發(fā)電設(shè)計(jì)方案。此外，通過微生物的作用處理餐廚垃圾，進(jìn)行產(chǎn)電、開發(fā)高分子材料、制作飼料也是十分合理的選擇[14]。

餐廚垃圾的固體殘?jiān)幸埠写罅坑袡C(jī)物，有很大的利用價(jià)值。劉德江等人[2]研究餐廚垃圾中不同部分厭氧消化產(chǎn)生甲烷等有利用價(jià)值的氣體的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)碳水化合物、蛋白質(zhì)類等餐廚垃圾產(chǎn)氣率與油脂類相近，這說明對(duì)餐廚垃圾固體殘?jiān)M(jìn)行資源化處理是值得研究的。

對(duì)此，我們有必要對(duì)MFC處理餐廚垃圾固體殘?jiān)鼨C(jī)理和性能進(jìn)行研究。G.Antonopoulou等人[23]發(fā)現(xiàn)，在18h的水力停留時(shí)間下使用合成營(yíng)養(yǎng)液運(yùn)行的四空氣陰極單室MFC，以稀釋的干燥餐廚垃圾提取物作為進(jìn)料在不同有機(jī)負(fù)荷下對(duì)MFC操作的測(cè)試表明，在最低的測(cè)試底物濃度（0.7gCOD/L）下，可獲得最佳的MFC性能。

但是目前為止，利用微生物燃料電池處理餐廚垃圾固體殘?jiān)难芯靠臻g還很大，國(guó)內(nèi)對(duì)其的研究仍比較少，距離實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。考慮到微生物燃料電池技術(shù)比較先進(jìn)以及餐廚垃圾在人類社會(huì)中普遍存在，我們有必要對(duì)微生物燃料電池處理餐廚垃圾固體殘?jiān)目尚行院托阅苓M(jìn)行深入的調(diào)查和研究。

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)上，餐廚垃圾處理一般采用填埋、焚燒等方法。使用這些處理方法，餐廚垃圾中的可循環(huán)利用的部分不能盡其所能，而且這些處理方法容易造成二次污染。于是，資源化處理餐廚垃圾的方法慢慢取代了傳統(tǒng)方法。

微生物燃料電池是一種很有前途的厭氧廢物處理方法，它可以利用微生物作為催化劑，將各種有機(jī)廢物如生活廢水、工業(yè)廢水和剩余污泥等中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，是為餐廚垃圾的資源化處理提供了一種新的思路。

與一般的生活垃圾不同，餐廚垃圾中有大量的油脂等可能影響微生物生命活動(dòng)的因素。另外，餐廚垃圾中的固體殘?jiān)部赡軙?huì)對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電有一定影響。目前，用微生物燃料電池處理餐廚垃圾中廢水的研究并不完善，并且國(guó)內(nèi)針對(duì)其處理餐廚垃圾固體殘?jiān)€有很大的研究空間。因此，對(duì)微生物燃料電池在處理餐廚垃圾時(shí)的性能和機(jī)理進(jìn)行研究很有必要。

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