微生物燃料电池废水处理和能源生产

李朝霞

（河海学院 重庆交通大学 400041）

摘要：近年来，由于工业、农业部门和食品部门排放的废水呈指数级增长，及其对环境的影响，废水处理成为一个备受研究的课题。多年来，有很多废水处理技术，但其中大多数缺乏成本效益、耐用性和能量回收率。事实证明，微生物燃料电池在一次性解决这两个问题方面非常有用，因为它们对可生物降解的有机化合物进行生物电化学过程，将其氧化生成可以通过各种方式利用的电力。本文简单阐述了微生物燃料电池的结构、机理和应用。

关键词：微生物燃料电池；废水处理；能源生产

Microbial fuel cell wastewater treatment

and energy production

Li Zhaoxia

前言

厌氧细菌消化是一种广泛使用的有机废物处理工艺。在过去几十年中，由于其温和的操作条件，可生物降解基质可以用作燃料，微生物燃料电池（MFC）受到了极大的关注。最近，研究人员表明，这是一个技术框架，这基本上意味着MFC可以有许多应用[1]。MFC可用于在废水处理厂分解有机物以产生能量，并已被分析用于各种应用，如生物传感器和生物氢处理。MFC已被公认为是一种令人兴奋且要求苛刻的并行废水处理工具，以节约能源和解决环境问题。MFC已被证明是一种可行的方法，可以消除化学需氧量，同时产生能量[2]。

1 典型MFC的结构和机理

典型的MFC由三个主要部件组成：厌氧阳极室、需氧阴极室和连接两个室的分离器，该分离器负责交换质子。在阳极室中，电活性微生物氧化添加的基质，并在过程中产生电子和游离H+离子。产生的电子被传输到阳极，并通过在负载下运行的外部电路流向阴极。尽管分离器在MFC中相对于催化材料和电极材料发挥着越来越重要的作用，但它增加了MFC的内部强度并降低了效率，从而显著限制了MFC的实际应用。因此，传统的MFC通常是半生物的，因为只有阳极侧含有电化学活性微生物，而阴极是非生物的。

氧、铁氰化物和过氧化氢主要用作阴极中的终端电子受体。其中，特别是对于空气阴极MFC（由一片催化剂、一个电极和一个分离器组成），氧被认为是最合适的终端电子受体，主要是由于其可持续性和数量。与阴极相比，阳极附近的高浓度H+离子导致电化学梯度，将质子通过半透膜推送到阴极。在阴极有电子和溶解氧的情况下，迁移的质子结合形成纯水。使用醋酸盐作为模型基质。最终反应描述了醋酸盐生物氧化分解为CO2并同时发电。以活性微生物将发射的电子从介质移动到阳极为中心，MFC可分为两类：介体MFC和无介体MFC。

2 MFC的应用

2.1 MFC中的生物电生产

如前所述，MFC借助于应用的电位差和来自农村和城市废物的碳水化合物基质的厌氧微生物氧化释放的电子来发电[3]。

尽管这些系统的能量水平不足，但过去二十年的研究证明，MFC仍然是一项了不起的技术，因为燃料直接转化为电能而不产生热量[4]；因此，消除了限制热能转换的卡诺环，从而获得更高的转换效率（>70%）。研究表明，在MFC中使用不同的化合物作为基板会产生不同的功率密度。

2.2 MFC中的生物制氢

氢被认为是一种非永久性的可再生能源载体。氢作为能源燃料在世界范围内的应用备受关注。其优点很多：清洁、高效、可再生，不会产生有毒副产品。电解已被用作高纯度制氢的有效方法。通过将电解与MFC相结合，MFC可以很容易地调整以获取生物氢，而不是发电。这种装置被称为微生物电解池或MEC。

从水水解中获得质子和电子通常需要高外部电压。因此，通过使用一种不需要氧气的杂交MFC系统，我们可以通过从有机物而不是水中衍生质子和电子，在低电压下直接生产氢气。然而，电子和质子结合产氢在热力学上是不可行的。然而，这可以通过应用外部电势来增强MFC的阴极电势来克服[1]。阴极氧有可能渗透到质子交换膜并抑制厌氧呼吸。为了在典型MEC中产生氢气，必须将阳极电位提高到约0.23V或更高的附加电压。

2.3 废水处理

废水作为一种能源具有巨大的潜力。节能、污泥体积控制和生物能发电是MFC用于废水处理的关键优势。各种形式的废水，如食品生产废水、养猪废水和生活垃圾，包含各种可生物降解的有机物质，可用于为MFC供电。MFC于1991年首次用于处理废水。

近年来，科学家已经证明，生物处理已被证明是一种安全且极具成本效益的过程，用于去除渗滤液中的氮和有机物[7]。MFC中使用的一些微生物具有消除硫化物的特殊能力，这是废水处理中的一个重要步骤。MFC可以增加废水处理过程中电化学活性微生物的发展。一项研究[8]报告，COD去除率高达80%，库仑效率高达80%。

MFC可能是一种有效的发电和除臭方法，当发电量超过228MW/m2的极限时，基于MFC的技术可以加快除臭速度。由于膜的生物污染和高昂的初始成本，用于废水处理（含悬浮固体）的MFC的扩大受到限制。因此，如果我们不使用m膜，MFC的扩展将变得更容易。已有研究证明了一种无介质和无膜MFC（MLMFC）处理合成废水，其中报告了88%的COD和87%的BOD（生物需氧量）以及45-50%的凯氏氮去除效率。在化学废水处理产生生物电中，双室微生物燃料电池（MFC）不使用阳极室介体。当使用铁氰化钾制成的阴极时，观察到电流密度在747.96至862.85 mA/m

2之间。

2.4 MFC在生物传感器中的应用

MFC还可以作为微生物呼吸的定量传感器。MFC中产生的电流是通过电子转移到阳极的厌氧呼吸产生的，可用于计算微生物的代谢率和随时间变化的底物浓度。在过去几十年中，提出并测试了许多不同类型的基于MFC的生物传感器，如免疫传感器、酶生物传感器、DNA生物传感器和基于细胞的生物传感器。一种酶生物传感器测量细胞中的缺氧量和产生的过氧化氢量。一项研究[5]证明了基于MFC的微晶化生物传感器的开发和活性，用于监测水中的放射性物质。它使用甲醛作为有害成分，并记录生物传感器中快速灵敏的电流响应检测，向阳极添加0.2V，以将基线信号保持在0.001–0.1%的浓度范围内。

3 结论

微生物燃料电池及其改性衍生系统是一种突破性的方法，可高效处理可生物降解废水，同时发电，从而满足快速增长的能源生产和废水处理需求。在多个场合，它们被证明在小型/实验室规模上作为氢源、脱盐方法等有很大的用途。然而，由于多个原因，MFC及其混合系统的使用在工业规模上受到了限制，如低输出功率密度、反应堆建造和运行成本高、停留时间长、，以及离子交换膜的污染或堵塞。虽然已知混合系统比独立MFC提供更大的输出，但它们仍需要在多个方面进行改进，如扩大规模、系统集成和维护以及电极特性。

参考文献

[1]Santoro C, Arbizzani C, Erable B, Ieropoulos I (2017) Microbial fuel cells: From fundamentals to applications. A review. J Power Sources 356:225–244.

[2]Agarwal A, Upadhyay U, Sreedhar I et al (2020) A review on valorization of biomass in heavy metal removal from wastewater. J Water Process Eng.

[3] Gajda I, Greenman J, Melhuish C, Ieropoulos I (2015) Selfsustainable electricity production from algae grown in a microbial fuel cell system. Biomass Bioenergy 82:87–93.

[4] Li J, Yang W, Zhang B, et al (2018) Electricity from microbial fuel cells. Green Energy and Technology 54:745–756.

[5] Yang W, Wei X, Fraiwan A et al (2016) Fast and sensitive water quality assessment: a μl-scale microbial fuel cell-based biosensor integrated with an air-bubble trap and electrochemical sensing functionality. Sensors Actuators B Chem 226:191–195.