廢水處理是高能耗行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，僅我國每年用于廢水處理的耗電量就占全國總發(fā)電量的1%，而美國等發(fā)達國家更高達3%。隨著能源短缺的日益加劇，節(jié)能降耗已成為廢水處理行業(yè)急待解決的現(xiàn)實問題。至今為止，廢水的處理技術(shù)主要采用好氧生物處理和厭氧生物處理兩種方法。但是，這兩種方法都有其缺點。好氧生物處理消耗能量大且運行費用高，而厭氧工藝的產(chǎn)出物甲烷無法實現(xiàn)能源的回收，會加劇著地球溫室效應。近年來，由于生物技術(shù)的不斷發(fā)展，污水的生物處理成為污水處理領域的主要技術(shù)，得到了研究者的廣泛重視。進入21 世紀，由于微生物燃料電池高效、清潔、環(huán)保的獨特優(yōu)點，利用微生物電池技術(shù)處理廢水的研究在全球掀起熱潮。
1 微生物燃料電池特點
微生物燃料電池（Microbial Fuel Cells，簡稱MFC)是一種以微生物為催化劑產(chǎn)生電能的新方法，可以利用細菌通過生物質(zhì)產(chǎn)生生物電能。它是一種將化學能在微生物的作用下直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。其問世于20 世紀初，但在此后很長的一段時期內(nèi)，其研究陷入停滯。20 世紀末，由于能源危機的巨大壓力以及化石能源的環(huán)境污染，MFC 研究再度受到人們關(guān)注。二十世紀八十年代以后，電子中介體的使用，使得微生物燃料電池的電流密度和功率密度有較大提高，但因為其性能不穩(wěn)定性且成本較高，使其不能廣泛應用。近年來，高活性微生物及無氧化還原介體方式的發(fā)現(xiàn)，極大促進了微生物燃料電池的發(fā)展。
MFC 在理論上具有很高的能量轉(zhuǎn)化效率，其具有以下優(yōu)勢：（1）燃料來源多樣化:可以利用一般燃料電池不能利用的有機物，無機物、微生物呼吸的代謝產(chǎn)物、發(fā)酵的產(chǎn)物，以及污水等作為燃料。（2）電池的操作條件較溫和:由于使用微生物作為催化劑，電池常溫常壓下即可運行，這與現(xiàn)有的發(fā)電過程不同，使得電池維護成本低、安全性強。（3）生物相容性好:利用人體血液中的葡萄糖和氧氣作燃料，可為植入人體的一些人造器官提供電能。（4）無需能量輸入:微生物本身就可以進行能量轉(zhuǎn)化，把燃料能源轉(zhuǎn)化為電能，為人類提供能源。（5）由于微生物燃料電池的唯一產(chǎn)物是水，所以該技術(shù)無污染，可實現(xiàn)零排放。（6）能量利用率高，能量轉(zhuǎn)化過程無燃燒步驟，可直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能，能量利用效率較高[6]。
2 微生物燃料電池工作原理
圖1 是微生物燃料電池工作原理簡易示意圖。在微生物燃料電池中，可降解有機質(zhì)在細胞內(nèi)被微生物代謝分解，此過程中產(chǎn)生的電子通過呼吸鏈傳輸?shù)郊毎ど�，然后電子進一步從細胞膜轉(zhuǎn)移到電池的陽極上。陽極上的電子經(jīng)由外電路到達電池的陰極，最終，電子與電子受體（氧化劑）在陰極表面上相結(jié)合。而有機質(zhì)代謝分解過程中產(chǎn)生的質(zhì)子則在電池內(nèi)部通過陽離子交換膜從陽極區(qū)擴散到陰極區(qū)。電子和質(zhì)子的移動完成了整個微生物燃料電池的電子傳遞過程。
3 利用微生物電池技術(shù)處理廢水
微生物燃料電池廢水處理技術(shù)，是將微生物作為陽極催化劑，將有機廢水作為MFC 陽極的底物，通過微生物的代謝作用將生活污水和工業(yè)廢水中含有的大量有機物作為燃料氧化，使有機物降解，廢水被處理，同時獲得電能[8]。該技術(shù)基本核心是提高細菌處理廢水的效率及增強細菌對廢水沖擊負荷的適應性。除了改善廢水處理構(gòu)筑本身的結(jié)構(gòu)設計的方式，目前這方面的技術(shù)歸納起來基本為提高細菌有氧代謝或無氧代謝效率及細菌對廢水濃度的耐受性。
采用MFC 處理廢水是廢水處理技術(shù)的創(chuàng)新。傳統(tǒng)廢水處理技術(shù)通常將廢水當作無用的廢物，以消耗電能來去除這些含能污染物，而MFC可將廢水污染物用于生產(chǎn)電能，處理廢水的同時生產(chǎn)電能[9]。與傳統(tǒng)廢水生物處理技術(shù)相比，MFC 具有其獨特優(yōu)勢（見表1）。和傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)相比，微生物燃料電池具有以下特點：（1）同步廢水處理和高效產(chǎn)電；（2）可在常溫常壓下運行，對運行環(huán)境無特殊要求；（3）可以實現(xiàn)不同種類的廢水處理；（4）伴隨廢水處理過程產(chǎn)生的氣體無需進一步處理，環(huán)境友好。
4 微生物燃料電池廢水處理的主要問題及解決方法
微生物燃料電池技術(shù)在許多方面已經(jīng)取得了重大突破，但依然沒有解決處理廢水速率慢、功率低的問題。目前，微生物燃料電池廢水處理面臨的主要問題包括:
4.1 微生物細菌與電極之間的電子傳遞過程緩慢，產(chǎn)電功率密度低。
4.2 對于細菌本身的呼吸方式和電子傳遞到電極機理研究不夠，沒有建立起完善的體系。
4.3 使用價格不菲的碳紙、載鉑碳紙等材料作電極等因素導致了電池的造價成本高，增加了MFC 技術(shù)在廢水處理領域的應用成本。而MFC 多以間歇操作為主，且反應器容積過小，這些結(jié)構(gòu)上的缺陷也嚴重制約了MFC 技術(shù)的發(fā)展和廢水處理領域的大規(guī)模實際應用。
4.4 研究的陽極底物一般僅為有機養(yǎng)料和模擬廢水的混合物，對高有機物濃度廢水的MFC 技術(shù)研究較少，針對廢水處理的MFC 基礎研究較少。
針對以上問題，還需要在以下幾個方面進行進一步研究，以推動MFC 技術(shù)在廢水處理方面的實際應用：
（1）開發(fā)高效的直接電子傳遞型產(chǎn)電菌種，通過菌群組合、基因改造等方法優(yōu)化產(chǎn)電菌群。
（2）研究生物兼容性好，電子傳遞性能優(yōu)秀的電極材料，促進陽極電子傳遞過程，改善電池功率輸出。
（3）優(yōu)化反應器結(jié)構(gòu)，減少傳質(zhì)阻力，增大反應器容積，提高輸出功率。
（4）加強MFC 技術(shù)在廢水處理領域的基礎研究，研究MFC 對高有機物濃度廢水的處理效率及處理機理。具體參見http://szhmdq.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
5 結(jié)束語
微生物燃料電池廢水處理技術(shù)代表了未來水處理技術(shù)的發(fā)展方向。近幾年時間來，MFC 技術(shù)分別在微生物、系統(tǒng)構(gòu)型與材料方面取得了重大發(fā)現(xiàn)。但是在改善電極電化學性能、提高電池輸出功率密度及降低電池成本等方面還需進行深入探索。相信隨著MFC 研究的不斷深入,MFC 的工業(yè)化應用將為期不遠。
