微生物燃料電池在污水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王辛

摘????? 要： 微生物燃料電池（MFCs）是一種新型的產(chǎn)電裝置，它利用產(chǎn)電微生物產(chǎn)生電能，因符合綠色發(fā)展理念而受到人們的廣泛關(guān)注。近年來，人們將微生物燃料電池與污水處理結(jié)合，在污水處理基礎(chǔ)上產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)了真正的可持續(xù)發(fā)展。簡要概述了MFCs的工作原理、分類、特點(diǎn)，綜述了此項(xiàng)技術(shù)在水處理中的應(yīng)用情況，最后提出目前需要面對的問題以及未來發(fā)展方向。

關(guān)? 鍵? 詞：微生物燃料電池； 可持續(xù)發(fā)展； 污水處理

中圖分類號：TQ201???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A???? 文章編號： 1004-0935（2024）06-0865-04

微生物燃料電池作為一種環(huán)境友好型生物能源技術(shù)，近年來在污水處理領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。主要是利用微生物的代謝活動(dòng)將有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了廢水的高效處理。傳統(tǒng)的污水處理方法通常需要大量的電力供應(yīng)和化學(xué)藥劑投入，不僅存在能源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題，還使廢水處理成本居高不下。在這一背景下，MFCs的出現(xiàn)為廢水處理帶來了一種全新的解決方案，具有諸多潛在的優(yōu)勢。

本文將回顧微生物燃料電池在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展。將重點(diǎn)關(guān)注MFCs在提高廢水處理效率、減少能源消耗、降低污染物排放等方面的潛在應(yīng)用，以及在可持續(xù)能源生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)方面的前景。為進(jìn)一步推動(dòng)MFCs在污水處理中的應(yīng)用提供理論和實(shí)踐支持。

1? MFCs技術(shù)及其發(fā)展歷史

生物電一詞是在1790年首次被發(fā)現(xiàn)，1910年晚些時(shí)候，Michael Cresse Potter教授觀察到浸入酵母和大腸桿菌懸浮液時(shí)鉑電極之間的電流流動(dòng)，揭示了細(xì)菌可以發(fā)電。這一發(fā)現(xiàn)使得大量學(xué)者投入MFCs技術(shù)的研究當(dāng)中[1]。傳統(tǒng)污水處理有著能耗高、產(chǎn)生污泥量大、不穩(wěn)定、效果差等一系列缺點(diǎn)，有學(xué)者嘗試將MFCs與污水處理工藝耦合[2]，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。之后的一段時(shí)間大量研究人員對產(chǎn)電性能[3]、污水處理效果進(jìn)行研究，取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。

2? MFCs的工作原理

經(jīng)典微生物燃料電池（MFCs），是一種生物電化學(xué)裝置，它通過使用微生物作為生物催化劑，將儲(chǔ)存在糖和醇等化學(xué)物質(zhì)中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為生物電能。典型的MFCs由厭氧室和好氧室組成，由質(zhì)子交換膜隔開，并分別配備陽極和陰極電極，用于收獲電流。MFCs中的陽極生物膜分解代謝一系列底物產(chǎn)生電子，而產(chǎn)生的電子被酶活性位點(diǎn)吸收，在電極作為合適的電子受體存在的情況下，電子隨后被轉(zhuǎn)移到外部電路，最終，這些電子減少分子氧在陰極表面，導(dǎo)致電流的產(chǎn)生[4]。

3? MFCs的分類、特點(diǎn)

1）根據(jù)發(fā)電的原理，將其分為氫型燃料電池[5]、自養(yǎng)型微生物燃料電池[6]、異養(yǎng)型微生物燃料電池[7]。氫型微生物燃料電池，在電極表面涂加催化劑，使微生物能夠在電極表面合成氫氣，從而產(chǎn)生電能；光能自養(yǎng)型燃料電池需要利用一系列感光微生物進(jìn)行光合作用，使光能直接轉(zhuǎn)換成電能?；墚愷B(yǎng)型燃料電池是在厭氧型和兼性微生物作用下，從有機(jī)物質(zhì)中抽取電子并向電極傳遞電子，從而獲得電功率輸出。

2）微生物燃料電池按照結(jié)構(gòu)可分為單極室燃料電池[8]，和多極室燃料電池[9]。單極室MFCs由空氣陰極組成，取消了質(zhì)子交換膜。雙極室燃料電池，由一層質(zhì)子交換膜將電池分成兩個(gè)極室，一個(gè)是陽極室，另一個(gè)是陰極室。通過將多個(gè)單獨(dú)的燃料電池進(jìn)行串聯(lián)，從而得到一種新型的多級串聯(lián)燃料電池。

3）根據(jù)從微生物向電極傳遞電子的方法來進(jìn)行分類。將MFCs劃分為兩種類型：由有無介質(zhì)區(qū)分。電子在借助外在的電子中間體才能轉(zhuǎn)移到陽極，這就是有介質(zhì)的MFCs。在沒有電子產(chǎn)物中間體的情況下，一些微生物可以吸附和生長到電極上，并向其直接傳輸電子，這就是無介質(zhì)MFCs。

4? MFCs在廢水處理中的應(yīng)用

4.1? 處理生活廢水

現(xiàn)行的活性污泥法處理廢水，需要消耗大量的電力，并且由于出水量大，給廢水的處理帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而MFCs可以彌補(bǔ)常規(guī)處理技術(shù)中存在的缺陷，并與廢棄物資源化的理念相吻合。

張立成[9]等在雙室式微生物燃料電池基礎(chǔ)上進(jìn)行了序批式的運(yùn)行，研究發(fā)現(xiàn)，反硝化除磷污泥在間歇操作中對模擬生活廢水的處理和產(chǎn)電都有良好的處理效果。初始pH、MLSS等因子對脫氮、除磷和產(chǎn)電量有較大影響。當(dāng)初始pH較高，可以提高電壓，但也不是越高越好，pH過高反而會(huì)影響釋磷的效果，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，最佳初始pH為7。隨著MLSS的增大，系統(tǒng)的產(chǎn)電效率也隨之增大。尤世界[10]等舍棄了質(zhì)子交換膜構(gòu)建了一種空氣陰極燃料電池在110 h左右的時(shí)間內(nèi)，以城市生活污水作為基質(zhì)，用空氣陰極燃料電池能夠獲得0.24 V的輸出電壓。以乙酸鈉、葡萄糖為底物，其輸出的最大能量密度為146.56 mW·m-2，最高能量密度為192.04 mW·m-2，去除率分別為99%、87%。

4.2? 處理印染廢水

在染色工藝中，大約有10%～15%的染料會(huì)損失到水里去。當(dāng)這些廢水不僅會(huì)對感官造成影響還會(huì)對魚蝦等水生生物造成危害。目前的處理方法如物理化學(xué)處理法雖然高效，但是投資大，過程復(fù)雜，容易產(chǎn)生二次污染；生物工藝成本低廉，但是運(yùn)行時(shí)間很長。所以，發(fā)展高效的染料廢水治理技術(shù)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[11]。

朱超將前期獲得的不依賴于碳源的偶氮染料降解細(xì)菌及混合細(xì)菌接種于無膜單室MFCs中，建立了一套廉價(jià)、簡單的單室MFCs，前期研究表明，在MFCs體系中，利用無碳源依賴的偶氮類染料生物降解細(xì)菌，可以同時(shí)處理單一或偶氮類染料，且具有相當(dāng)?shù)陌l(fā)電能力，最大脫色率達(dá)到65.1%，COD去除率達(dá)到82%。該方法不僅不需要外加的碳源，也不需要加入緩沖溶液而且可以加速脫色，因此在實(shí)際中有很好的應(yīng)用前景[13]。

4.3? 處理食品廢水

近年來，我國食品工業(yè)取得了長足發(fā)展，但水污染問題仍然是限制其發(fā)展的重要因素。故尋找一種高效、經(jīng)濟(jì)的處理方法已經(jīng)提上日程[14]。

蘇升[15]等以食品解凍廢水研究MFCs的產(chǎn)電能效、微生物菌群分布以及協(xié)同工作效果，研究表明，在解凍廢水中，微生物燃料電池的發(fā)電在0.125～ 0.172 W·m-2，有機(jī)物的去除率可達(dá)到90%左右，發(fā)電能力較強(qiáng)。當(dāng)增加底物有機(jī)負(fù)載時(shí)，可以有效地增加MFCs陽極的生物多樣性，增加MFCs的電能轉(zhuǎn)換和功率輸出。以食物解凍廢水[16]為底物的MFCs陽極生物膜中的主要細(xì)菌種類有：發(fā)酵型細(xì)菌和產(chǎn)電型細(xì)菌，它們之間緊密配合對MFCs的發(fā)電性能起著決定性的作用。陶虎春等研究雙室MFCs模擬對黃姜提取薯蕷素廢水進(jìn)行了試驗(yàn)，考慮到微生物是影響其處理結(jié)果的主要因素，著重探討了不同菌種對其影響。研究發(fā)現(xiàn)：以全混菌處理時(shí)間為350 h時(shí)效果最佳，COD的去除率可達(dá)90%以上；試驗(yàn)結(jié)果表明，添加了馬鈴薯堿廢水的厭氧菌，其產(chǎn)生的電能最高可達(dá)10.32 mW·m-2。孫彩玉[17]等采用CSTR技術(shù)，以真實(shí)的中藥廢水為陽極底物，以真實(shí)的含鎘廢水為陰極電解質(zhì)，建立了雙室MFCs，并對其進(jìn)行了初步的試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：燃料電池啟動(dòng)后其最大輸出電壓為417 mV，最大體積功率密度為11.8 W·m-3。在最大的功率密度下，系統(tǒng)的庫侖效率可達(dá)18.5%。MFCs對含藥廢水有很好的去除效果，其COD平均脫除率達(dá)81.5%，MFCs陰極對Cd2+有較好的脫除性，其脫除率為79.4%～84.8%。

4.4? 處理制藥廢水

抗生素是當(dāng)前治療人類和牲畜感染性疾病的最有效藥物之一。人類和動(dòng)物服用的大多數(shù)抗生素并不能被機(jī)體充分代謝，約有20.0%～97.0%以活性物質(zhì)的形式排出體外而進(jìn)入環(huán)境[18]。由于抗生素廢水的復(fù)雜性、高有機(jī)負(fù)荷與難生物降解性，徹底消除廢水中的抗生素是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

樊立萍等[19]發(fā)現(xiàn)制備基于CeO2-β-CD的改性電極，并將其用于處理高濃度、難降解的制藥廢水，能夠顯著提高M(jìn)FCs的整體性能。運(yùn)行150 h的產(chǎn)電輸出電能提高了522.4%，COD去除率提高了94%。薛松[20]等馴化了人工湖泊底泥中所包含的微生物菌群，以鏈霉素廢水為陽極液，構(gòu)建微生物燃料電池，研究添加共基質(zhì)前后微生物燃料電池的廢水處理效果與同步發(fā)電性能。在常規(guī)條件下，MFCs對鏈霉素廢水的降解效果和發(fā)電能力均較差。但在鏈霉素廢水中添加適當(dāng)葡萄糖形成共基質(zhì)代謝，微生物降解有機(jī)物的能力和電子傳遞能力均得到顯著增強(qiáng)，MFCs對鏈霉素廢水的凈水效果及同步產(chǎn)電能力也得以顯著提高。

4.5? 處理畜牧養(yǎng)殖廢水

我國是肉制品消耗大國，畜禽養(yǎng)殖業(yè)是我國重要的農(nóng)業(yè)污染源[21]，若未經(jīng)過適當(dāng)處理將對環(huán)境產(chǎn)生極大潛在威脅。其中高濃度畜禽養(yǎng)殖廢水帶來的環(huán)境污染問題最為突出，是污染防治的重點(diǎn)和難點(diǎn)[22]。

李小虎等以養(yǎng)殖場沼泥為接種物，構(gòu)建了改性碳?xì)株枠O單室微生物燃料電池，探討了不同陽極改性電池的產(chǎn)電能力，考察了其去除養(yǎng)殖廢水效果。發(fā)現(xiàn)以原水為底物時(shí)，2種改性陽極MFCs在較短的周期內(nèi)（4 d）對COD和氨氮均有較高的去除率，對臭味去除明顯，電壓也有大幅度的提高。

5 ?結(jié) 論

MFCs能夠在廢水處理的同時(shí)產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)資源利用，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，這種新型的燃料電池產(chǎn)電效率不高，輸出功率也很有限，這在很大程度上制約了它的應(yīng)用。為了促進(jìn)該技術(shù)的實(shí)用化，還需開展如下工作：

1）對產(chǎn)電菌種進(jìn)行研究，選出最優(yōu)產(chǎn)電菌種，配置最合適的菌種組合，從而增強(qiáng)其產(chǎn)電性能。

2）研制出一種低成本、高效率的電極材料，選用具有良好導(dǎo)電性的物質(zhì)，使其表面形生物膜加快氧氣的還原速度。

3）為了提高菌體的吸附能力，增大陽極的比表面積，并在陽極添加催化材料，促進(jìn)電子傳遞到電極。

4）對反應(yīng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并便于與其他水處理工藝聯(lián)用。使理論便于應(yīng)用于實(shí)際。

經(jīng)過幾十年的研究，微生物燃料電池技術(shù)雖然并沒有得到廣泛地使用，但是它的發(fā)展直到今天，仍然是一個(gè)熱點(diǎn)。同時(shí)，在過去的20多年里，生物技術(shù)的飛速發(fā)展，為該領(lǐng)域積累了豐富的材料、知識(shí)和技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] DRENDEL G， MATHEWS E R， SEMENEC L， et al. Microbial fuel cells， related technologies， and their applications[J]. Applied Sciences， 2018， 8（12）： 2384.

[2] 侯登峰， 張皓馳， 李先寧. 微生物燃料電池對廢水脫氮性能的影響因素綜述[J]. 環(huán)境污染與防治， 2022， 44（8）： 1091-1096， 1120.

[3] SINGH M R， XIANG C X， LEWIS N S. Evaluation of flow schemes for near-neutral pH electrolytes in solar-fuel generators[J]. Sustainable Energy & Fuels， 2017， 1（3）： 458-466.

[4] KI?YS K， ZINOVI?IUS A， JAK?TYS B， et al. Microbial biofuel cells： fundamental principles， development and recent obstacles[J]. Biosensors， 2023， 13（2）： 221.

[5] 何萬遠(yuǎn)， 歐陽二明. 微生物燃料電池陽極材料的研究概況[J]. 應(yīng)用化工， 2023， 52（8）： 2432-2436， 2442.

[6] 孫齊， 韓嚴(yán)和， 齊蒙蒙. 微生物燃料電池應(yīng)用及性能優(yōu)化研究進(jìn)展[J]. 工業(yè)水處理， 2020， 40（7）： 6-11.

[7] 秦淼. 基于厭氧甲烷氧化的微生物燃料電池研究進(jìn)展[J]. 遼寧化工， 2023， 52（8）： 1175-1179， 1207.

[8] 張立成， 王文強(qiáng)， 袁雅姝， 等. 反硝化除磷產(chǎn)電污泥特性研究[J]. 中國給水排水， 2018， 34（19）： 67-70， 75.

[9] 張立成， 于天宇， 張爽， 等. 多陰極室反硝化除磷產(chǎn)電裝置啟動(dòng)運(yùn)行研究[J]. 中國給水排水， 2020， 36（15）： 52-58.

[10] 尤世界， 趙慶良， 姜珺秋. 廢水同步生物處理與生物燃料電池發(fā)電研究[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2006， 27（9）： 1786-1790.

[11] TAJDID KHAJEH R， ABER S， NOFOUZI K， et al. Treatment of mixed dairy and dye wastewater in anode of microbial fuel cell with simultaneous electricity generation[J]. Environmental Science and Pollution Research， 2020， 27（35）： 43711-43723.

[12] 李莉， 伍佳， 張賽， 等. 微生物燃料電池降解染料廢水的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2021， 40（11）： 61-66.

[13] 邊喜龍， 于景洋， 王宇清， 等. 電解-微生物燃料電池耦合系統(tǒng)處理染料廢水性能[J]. 工業(yè)水處理， 2020， 40（10）： 59-62.

[14] 黃健， 凌玲， 張華， 等. ASBR處理食品廢水中DOM轉(zhuǎn)化過程的熒光光譜[J]. 中國環(huán)境科學(xué)， 2016， 36（6）： 1746-1751.

[15] 蘇升， 陳志坤， 石椿麗， 等. 微生物燃料電池對食品解凍廢水的處理效能與菌群協(xié)作研究[J]. 口岸衛(wèi)生控制， 2021， 26（4）： 44-52.

[16] PARIHAR P S， KESHAVKANT S， JADHAV S K. Electrogenic potential of Enterococcus faecalis DWW1 isolated from the anodic biofilm of a dairy wastewater fed dual chambered microbial fuel cell[J]. Journal of Water Process Engineering， 2022， 45： 102503.

[17] 孫彩玉， 邊喜龍， 劉芳， 等. 連續(xù)流雙室微生物燃料電池處理工業(yè)廢水[J]. 化工環(huán)保， 2018， 38（6）： 646-650.

[18] BISOGNIN R P， WOLFF D B， CARISSIMI E， et al. Potential environmental toxicity of sewage effluent with pharmaceuticals[J]. Ecotoxicology， 2020， 29（9）： 1315-1326.

[19] 樊立萍， 溫越霄. CeO2-β-CD改性陽極微生物燃料電池處理抗生素廢水的性能研究[J]. 高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)， 2023， 37（2）： 312-318.

[20] 樊立萍， 薛松. 共基質(zhì)改善MFC處理鏈霉素廢水及產(chǎn)電性能的研究[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 45（3）： 370-377.

[21] 劉壯壯， 李同， 劉崇濤， 等. 微生物燃料電池處理畜禽養(yǎng)殖廢水研究進(jìn)展及展望[J]. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào)， 2024， 41（2）： 344-359.

[22] SUN Z L， WEI Y R， SONG X F， et al. Using a microbial fuel cell to balance the carbon-nitrogen mismatch in submerged fixed-bed reactors for the resilient treatment of mariculture wastewater[J]. Journal of Water Process Engineering， 2023， 53： 103629.

Research Progress in Application of Microbial

Fuel Cell in Sewage Treatment

WANG Xin

（Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract：? Microbial fuel cell （MFC） is a new type of power generation device， which uses power-producing microorganisms to generate electric energy， and has attracted wide attention because it conforms to the concept of green development. In recent years， microbial fuel cells are combined with sewage treatment to generate electric energy on the basis of sewage treatment， thus realizing real sustainable development. In this paper， the working principle， classification and characteristics of MFC were briefly summarized， and the application of MFC in water treatment was summarized. Finally， the problems to be faced at present and the future development direction were put forward.

Key words：? Microbial fuel cell; Sustainable development; Sewage treatment