微生物燃料电池处理污水并产能的潜力分析

编者按：生态危机促进了污水处理向资源和能源方向的转变。污水能源工厂或碳中和的经营理念激发了人们从污水中回收能源的研究热潮。其中，微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)污水中的有机质作为一种新能源方式，可以使用（COD）直接转化为电能似乎预示着污水能源化革命，因此自2004年以来对其的研究EST刚开始的时候热一发失控，只有原创者Logan教授论文发表数目前便达300篇以上，相关研究论文高达1.4万。方兴未艾的MFCs与传统方式相比，研究能否实现工程化，有机质能转化率如何？方兴未艾的MFCs与传统方式相比，有机质能转化率的研究能否实现工程化？早在2014年，我们就在《中国给排水》上发表了相关文章MFCs计算实际污水处理中可获得的能量，发现其能量转化效率（库仑效率）低于剩余污泥厌氧消化产甲烷。况且，MFCs以牺牲脱氮除磷所需碳源为代价，有限能量转化率。近20年前的密集研究仍然存在MFCs徘徊在研发阶段，说明MFCs在污水能源化方面确实很难胜任。本期回顾早期文章论点，试图明确双碳目标下污水能源化的前进方向。

01 MFCs 发展过程和研究现状

1910年英国植物学家Potter提议将生物发电到美国Logan教授研究小组使用厌氧污泥接种MFCs用于污水处理及其能源化，MFCs一般可分为三个阶段：

MFCs雏形阶段

英国植物学家1910年Potter教授发现酵母和大肠杆菌被放入葡萄糖培养基中进行厌氧培养，在这些细菌氧化有机物的过程中产生铂电极 0.3~0.5 V开路电压和0.2 mA的电流。Potter教授首次将小分子微生物的分解过程与产电现象联系起来，证实生物体可以产生电流，并首次提出了生物发电的概念，被视为MFCs研究的开始。

电子传输中介阶段

20世纪80年代， 研究人员发现，电子从底物到阳极表面的转移可以通过向阳极添加额外的电子传输中介来加速，从而改善MFCs的功率输出；中介体一般是化学染料类物质，如，中性红、蒽醌、硫堇等。电子传输中介在一定程度上促进了电子传输，但实际上增加了电子传输的距离，大多数中介成本高，容易对微生物产生毒性影响，容易分解。

无介体 MFCs 阶段

1999年Kim等首次发现有些微生物在代谢过程中可将电子直接传递到电极表面。2002年，Lovley研究小组从海底沉积物中发现了一种存在于底泥中的特殊微生物——Geobacteraceae，不加氧化还原电子传输中介体的厌氧条件，MFCs继续稳定地利用乙酸等基质产生电流。次年，Chaudhuri和Lovley金属还原细菌也从海底沉积物中分离出来——Rhodoferax ferrireducens，可氧化葡萄糖等有机物，电子回收效率(库仑效率)可达80%以上。随着直接MFCs的发现和MFCs提高产电功率，Logan研究小组开始将军MFCs实际污水处理技术的应用似乎为污水能源化开辟了新的途径。

02 MFCs工作原理及分类

工作原理

以双室MFCs例子(图1)阐述MFCs产电过程。MFCs工作时：

①参与细菌在阳极室氧化分解有机底物(COD)产生CO2和H ，同时产生并直接传输到阳极表面(或通过电子传输中介传输到阳极表面)；

②产生的电子通过阳极和导线流经外电路闭合回路到达MFCs阴极在阳极中产生H 电荷平衡通过质子交换膜扩散到阴极；

③电子接受体与阴极室中的电子接受体一起到达阴极(O2)结合还原反应，形成电子闭合电路，使电子在流经外电路时输出电能。

可见，MFCs本质上，阳极室中产电微生物的降解COD产生电子和电流的过程有效地将有机降解和能量转化（电能）结合起来。目前的研究表明，阳极室主要有四种电子传输方式：

①产电微生物细胞与电极表面直接接触转移；

②纳米导线转移；

③电子中介转移；

④具有还原性的代谢产物在微生物细菌生理代谢过程中产生(H2.甲酸盐等。)转移。前两种形式对应直接微生物燃料电池，后两种形式对应间接微生物燃料电池。

MFCs基本结构和分类

MFCs 反应器通常由三部分组成： 阳极、阴极 与质子交换膜。MFCs分类方法没有统一的标准，主要有两种分类方法： 一种是根据阳极室中产电微生物的电子传输机制进行分类，另一种是根据微生物燃料电池的结构进行分类。表1显示了不同类型的分类MFCs。

基于以上研究成果，以生活污水和单一基质(如葡萄糖、乙酸)为基础，可大致估计MFCs能量转化效率：

①以单一基质为基质MFCs能量转化效率取MFCCOD去除率为90%。这90%可以认为是因为没有其他电子受体的干扰COD可全部参与产电过程。库伦效率取平均值70%，忽略电位损失，则以单一基质为基质MFC能量转化效率为90%×70%=63%。

②以实际生活污水为基础MFCs根据现有的研究成果，提取能量转化效率COD平均去除率为75%，其中约30%COD不参与产电过程，而是为了NO3-/SO42-作为电子受体的还原反应，实际参与产电过程COD占总COD百分比约为1×75%×30%=52.5%。值20%的库伦效率MFC将52.5%COD根据库伦效率，储存在中间的能量转化为52.5%×20%=10.5%。

③传统的污水处理COD去除率可达90%，1 kg COD产生约0.4 kg 剩余污泥(以COD计)；剩余污泥厌氧消化产甲烷的平均能量转化效率为55%。热电联产效率0.8.传统厌氧消化产甲烷将剩余污泥转化为电能的效率约为55%×0.9×0.4×0.8=15.8%。

上述MFCs与传统厌氧消化能量转化效率相比，MFCs只有在以单一基质为底物时方能显现出与众不同的能量转化效率，用其处理实际污水时可获得的能量转化效率还不及污水处理后所产生的剩余污泥厌氧消化产甲烷之能量转化效率。进言之，MFCs从降解COD以牺牲脱氮除磷所需碳源为代价获得的有限能量转化效率。

04 展望

作为一种仍在研发中的污水处理技术，MFCs理论上，它为污水处理及其能源化开辟了新的途径，但该技术与实际工程应用仍有相当长的距离，主要是因为其能量转化效率低，以牺牲脱氮除磷所需的碳源为代价。以MFCs它来源于基础MECs在处理实际污水时，制氢效率较低，影响实际应用价值。为使MFCs/MECs转变为实际污水处理工程的应用方向，今后应从以下几个方面寻求突破。

①筛选产电效率较高的微生物。产电效率低，输出电压/电流不稳定MFCs 研发面临的问题。因此，筛选产电效率高、活性强的微生物尤为重要。MFCs 未来将显示出更强的产电效率和稳定性MFCs发展趋势。

②研究产电微生物的代谢过程和电子传递机制。阳极产电微生物的代谢过程和电子传递方式是MFCs核心。明确不同产电微生物的代谢过程是提高微生物活性和生物量的关键，明确的电子传输方式是提高电子转移率，然后提高 MFCs输出功率的关键所在。

③改进电极材料。电能输出在很大程度上受到阴极反应的影响。由于阴极微弱的氧化还原反应能力和O2通过质子交换膜扩散到阳极，影响阳极产电微生物的活性。因此，阴阳极材料的选择仍然存在MFCs未来研究的重点之一。

来源：水业碳中和资讯

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