先进污水处理与污水发电技术

“先进污水处理与污水发电”课题调研报告

032107xx 吴xx

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摘要：

随着科学技术的发展和政府对环境治理重视度的加大，我们必须对污水处理与利用加大力度，我们紧贴课程的主题，研究了当今污水处理的先进技术，以及用污水生产一些工业原料的方法。从当今比较热门的一项研究中的技术着手，即“污水发电”技术，其中的核心便是微生物燃料电池，通过研究微生物燃料电池来探索污水发电的原理以及这项技术的优缺点和应用前景等。课题组通过图书，网络，期刊获得了相关资料，并且咨询了有关方面的老师，经过自己的总结完善之后将成果进行了展示。

Along with the development of science and technology and the government environmental management attaches great importance to the degree of increase, we must be stepped up efforts to the sewage treatment and utilization.We close to the course, the theme of today's advanced technology of the wastewater treatment is studied, and use the method of sewage production of some industrial raw materials.By studying the principle of microbial fuel cells to explore the power and the advantages and disadvantages of the technology and application prospect.Team through books, network, periodical got related information, and consulting the relevant aspects of the teacher, after his own summary

perfect will result in the display.

报告正文：

自从工业革命以来，随着工业的进步，污染也大量随之而来，水，气，固废，噪声，电磁污染等等层出不穷，历史上大多都是先污染后治理，然而在发达国家，他们已经走过这条道路，已经有了比较发达的技术，然而我国现在正是大力发展的时期，污染随之而来，这就要求我们在发展的同时全面提高污染的防治工作，提高对环保的重视程度，并且发展技术，创新技术。

目前我国正在大力加快城市化的进程，在这个过程中，城市人口越来越多，人口密度越来越大，每个城市的生活污水集中处理的量是十分巨大的，污水处理又是相当耗能的一项工程，基于当前情况，我们发现在污水的处理过程中，微生物的作用是显而易见的，就是这些我们平时感觉的不到的“小东西”却在为我们做出这么巨大的贡献。随着污水处理技术的进步，我们想的不仅仅是如何将污水处理达标之后排放入水体，而是我们怎样去利用这些污水，变废为宝呢？其实途径还是比较多的，所谓废物只是另外一种资源出现在了错误的时间和错误的地点。

美国每年要处理家用废水46万亿立升，耗费高达250亿美元，所需要的电能(主要用于通风)占全国消耗总电能的1.5%.利用污水发电主要有两个途径：第一是通过一些产甲烷或者产氢细菌分解污水中的有机物，生产甲烷气体或者氢气，通过管网输送到热电厂进行发电。第二是用微生物燃料电池处理废水，可以将处理废水所需的大部分能

量节省下来。[1]利用这样一个微生物燃料电池装置处理一家大型食品加工厂的垃圾，可以产生足以供应900户家庭用电。据Logan说，微生物燃料电池可以减少晾干废水中活性淤泥的成本，用电量减少一半，而产生的需处理的固体物质则减少了50～90%。

污水发电的核心是“微生物燃料电池（MFCs）”。燃料电池是一种将化学能转化为电能的电化学装置，其机理是凭借其阳极催化剂的强电离能，通过消耗阴极的燃料物质如氢气、甲烷等，进行氧化反应从而产生电流。而为生物燃料电池（MFC)的独特之处在于，它不需要传统燃料电池所使用的金属阳极；相反，它利用微生物使有机物氧化分解，并将电子传递到阳极。由于微生物对各种类型有机物的适应性，使得MFC成为一种理想的可持续的生物发电技术。

构成微生物燃料电池有几个必要条件：电极，电解质，微生物，电子流动，电子介体等，每一个组成部分对燃料电池的发电都有至关重要的影响。MFC反应器分反应器分为阳极室和阴极室，两室用质子交换膜分隔开。质子交换膜只允许质子通过，不允许电子通过。阳极室内，底物被微生物代谢，生成产物的同时进行呼吸链电子转移。电子可被介体传递到阳极，经过外电路，转移到阴极。在有膜和溶解性电子介体辅助时，微生物代谢的电子受体由自然条件下的氧气和硝 酸盐等可溶性受体转变为石墨和铂片等不溶性受体。生成的质子通过交换膜进入阴极室。阴极室内，质子和氧在阴极表面接受电子反应生成水。这一过程中。在阳极室内进行有机物降解的同时电子经过外电路传输形成电流。

阳极反应：C6H1206+6H20_+6C02+24e一+24H+

阴极反应：602+24e+24H+-—12H20

胞外电子转移为mfc提供了电子转移的方式，其中纳米导线的发现更是证明了这一点理论。所谓纳米导线，[2]最初是由Lovley发表在《自然》杂志上的文章中提出的，它是细菌通过生化反应合成的附器，并具有传送电子的能力，而细胞呼吸可能会使用这些绝缘纳米导线，其最初的支持证据来源于测量纳米导线Z平面电导率的实验（测量纳米导线的直径）。最近也有研究发现，沿着纳米导线的生长方向，奥奈达希瓦氏菌MR-1产生的纳米导线体现出了非线性电子传输属性。然而究竟MFC为什么能发电呢？[4]主要是有一下三个理论：第一条最充分的理由就是细胞的呼吸过程需要金属氧化物的参与，很多细菌在发生呼吸作用时，能从细胞色素末端的氧化酶处释放电子，同时将胞外的高价离子还原成可溶性的低价离子，第二，电子能在细胞之间直接传递，不需要中间媒介，比如“纳米导线”这一途径。研究人员已观察到发酵细菌（Pelotomaculum thermopropionicum）产生了很粗的类似伞毛的导电附属物，并通过这些导电附属物使之与混合培养物中的甲烷微生物连接在一起，这是细胞间电子传递的直接佐证。在其他环境下，人们也观察到了电子直接传送进细菌的现象。MFC里细菌在阳极繁殖，分解有机物产生电子，氧气在阴极（即生物阴极）作为电子受体的则被还原。阴极区进入细菌内的电子比氧还原所需的电势高，故在这个反应过程中细菌获得了能量。生物阴极也用于硝酸盐还原和产出氢气。因此，微生物同时接收和释放电子的事实证明，

在微生物群落中细胞间交换电子的行为是一种本能的且时刻发生着的现象。第三点，电子传输充当着细胞间交流工具的角色。这种理由虽未经考证，但具有生物膜的细菌利用群体效应来进行细胞与细胞之间的通信已被发现。

菌种的选择也比较关键，不同的细菌有不同的发电效率，无论是哪种细菌，单一菌种或是混合菌种，其产出功率密度都与MFC的整体结构、电极间距和电解质电导率有关，因此菌种的选取就相当重要,除非MFC整体结构以及电解液完全一致，不同细菌之间、单一细菌与混合细菌之间功率密度产出的直接对比，不具备参考价值。另外，为确保能观察到不同菌种产电功率密度的差异， MFC装置的内阻必须很小。只有在特定MFC装置的条件下，通过对不同菌种、培养液进行大量的对比试验，其数据才具有价值。实验证明，在一个小的MFC反应器（1.2mL）里，在厌氧环境下培养奥奈达希瓦氏菌并及时抽走其细胞悬浮液，使用空气阴极时，其功率密度可达(2 W /m2 or 330 W / m3) 使用铁氰化物阴极时，其功率密度可达(3 W / m2 or 500 W / m3) 34 。因此，在一定的MFC环境中，奥奈达希瓦氏菌似乎天生具有高功率密度输出的天赋。

[3]在电极的设置方面，由于MFC系统较为复杂，所以电极的设置要求也很高，MFC里阳极电势随着负载的变化而变化，因为带有自由电子的呼吸酶和电子携带者被氧化了。在一个设定的阻值，阳极电势越低，MFC能量恢复的就越大（能量输出也越大），细菌所消耗的能量也就越低。发生氧化反应的电子携带者与发生还原反应的电子

在微生物群落中细胞间交换电子的行为是一种本能的且时刻发生着的现象。第三点，电子传输充当着细胞间交流工具的角色。这种理由虽未经考证，但具有生物膜的细菌利用群体效应来进行细胞与细胞之间的通信已被发现。

菌种的选择也比较关键，不同的细菌有不同的发电效率，无论是哪种细菌，单一菌种或是混合菌种，其产出功率密度都与MFC的整体结构、电极间距和电解质电导率有关，因此菌种的选取就相当重要,除非MFC整体结构以及电解液完全一致，不同细菌之间、单一细菌与混合细菌之间功率密度产出的直接对比，不具备参考价值。另外，为确保能观察到不同菌种产电功率密度的差异， MFC装置的内阻必须很小。只有在特定MFC装置的条件下，通过对不同菌种、培养液进行大量的对比试验，其数据才具有价值。实验证明，在一个小的MFC反应器（1.2mL）里，在厌氧环境下培养奥奈达希瓦氏菌并及时抽走其细胞悬浮液，使用空气阴极时，其功率密度可达(2 W /m2 or 330 W / m3) 使用铁氰化物阴极时，其功率密度可达(3 W / m2 or 500 W / m3) 34 。因此，在一定的MFC环境中，奥奈达希瓦氏菌似乎天生具有高功率密度输出的天赋。

[3]在电极的设置方面，由于MFC系统较为复杂，所以电极的设置要求也很高，MFC里阳极电势随着负载的变化而变化，因为带有自由电子的呼吸酶和电子携带者被氧化了。在一个设定的阻值，阳极电势越低，MFC能量恢复的就越大（能量输出也越大），细菌所消耗的能量也就越低。发生氧化反应的电子携带者与发生还原反应的电子

携带者的种类比率的变化，随着电子在细胞间的进出，从而影响微生物的电势。当使用稳压器将阳极电势固定在某个值便于检测其他影响因素时，我们才可以较好地理解整个过程。阳极设置主要有：1用氟化聚苯胺涂覆铂电极，提高了铂催化氧化微生物厌氧代谢产氢的活性对微生物和化学降解更稳定，因此最有可能被应用于污水、污泥等微生物大量存在的复杂环境中。2微生物氧化剂修饰的石墨阳极，发现这些阳极比普通石墨阳极动力学活性高1.5-2.2倍，电流密度高5倍，阴极方面通常是Pt衣碳电极浸入水中使用溶解氧为电子受体，或者是普通碳电极浸入氰化铁溶液。

MFC电池的反应器通常分为单室系统和双室系统，双室系统是微生物在阳极室由聚合质子交换膜和阴极室分开。这样的构造不利于反应器放大，限制了MFCs应用于污水处理。单室系统是去掉质子交换膜，由两室变为单室，也是无膜MFC。[5]Liu等使用空气阴极单室MFCs研究了使用或不使用质子交换膜时的产电情况。结果发现，葡萄糖为底物，不使用PEM，P。=494±21 mW／m2(12．5±0．5 mW／L)。cE有PEM时达到40％一55％，无PEM达到9％一12％，这说明不使用PEM有显著的氧扩散进入阳极室。能量输出根据葡萄糖浓度符合饱和动力学，有PEM的K=79 mg／L．无PEM E=103 mg／L(电阻1000Ω)。使用废水试验取得相似结果。其成果为去掉PEM，减少MFCs成本提供了支持。Jang等研究了无膜MFCs，内阻3．9 Mn。4周内，系统产生稳定电流2 mA，电流收率约为10％。

目前，在我国污水处理的技术正在成熟与进步当中，很多城市的

排水系统以及污水处理系统正在进步，多数污水处理厂的规模都以达到几十万吨甚至上百万吨每天，而且处理程度要逐渐改进成三级处理标准，对于在污水处理过程中产生的大量污泥的处理处置的技术与方法也在改进当中，但是对于污水发电技术也只是在探索发展的阶段，由于技术的不全面，现在在全世界范围内污水发电技术还没有得到大量以及广泛的工程应用。主要有以下几个方面的原因所限制：1质子交换膜成本高，不适宜大规模应用；2缺乏适宜的电极材料，铂电极成本太贵，而便宜的石墨电极的效率还不够理想；3对MFCs中微生物生态和代谢认识还很缺乏；4反应器构造不适于放大应用；5对MFCs的运行和稳定性等还缺少更多数据支持。

现在在我国有不少公司在做污水发电的项目的研发，同时有一部分也投入了工程实践，例如：南京高新区污水处理厂微生物能源系统工程日前建成投运，实现污水发电。污水发电是通过计算机将污水中的各种细菌“分拣”，将其中具有能量的部分提取出来，之后通过反应器形成甲烷等可燃烧气体用于发电。据介绍，南京高新区污水处理厂是国内首个应用南京加德绿色能源研发有限公司微生物能源技术的工程。以日处理60万吨污水处理厂为例，该工程每年可减少20%～30%的污泥量，节省污泥处理费1000万元左右。虽然这属于污水发电第一种方式的工程应用，但是意义非常重大，这也是像我国污水发电技术走向成熟迈出的第一步。

污水发电技术虽说有很多问题有待解决，但是它的潜力还是不可小觑的，它比较其他生物发电技术有很明显的优势：1能够以高效率

直接将底物能量转化为电能；2和其他生物产能工艺相比可以在室温，甚至更低温度下有效运行；3排放气体是CO：，不含可利用气体组分(CH化合物)，所以不需要另外的气体处理单元；4阴极可以被动曝气，不必为曝气而输入能量；5具有广泛应用和扩展燃料多样性，满足边远居民能量需求的潜力。

同时在美国，的Logan课题组推测MFCs产电的极限是1000 mW／㎡阳极表面积，其近期研究目标是稳定产生500 kW电，供300户使用。计划1—3年内研究出放大设备，10年内推出处理规模系统。这样一来，通过MFC对污水、废弃生物质进行能量回收，或许可以确保水资源基础设施的能源供给。

在我国，能源问题越来越突出，我们必须要找到一个能将环境治理与能源再生相结合的一种方法，这也就是我们说的“污水发电技术”所具有的优势和前景，它是一种比较好的能将污染物与能源联合在一起的方式，目前而言这项技术还在研究发展当中，我们面对的也有很多

综合而言，污水处理被认为是MFCs技术最有可能大规模应用的领域，在节省动力消耗，削减污水处理成本方面很有潜力，因为MFC是一种很好的发电技术，它兼顾处理污水与能源供给，真正的达到了废物到资源的转化，符合人类社会可持续发展的要求，体现的战略意义重大，在国际上受到关注，然而我国又是一个高速发展的国家，面对高速发展与环境保护的矛盾，迫切需要这样的技术，同时该技术也

开创了污水处理的方式，污水资源化的多样性，可以说我们需要加大研究力度，争取在关机技术上获得突破，早日将这一技术应用到工程实践当中去。

参考文献：

[1 《环境科学和技术》 (Environmental Science & Technology) （Bruce Logan关于微生物发电技术）

[2]《自然》(Nature)2005年6月23日Lovley宣称发现了"纳米电线"。

[3]《微生物燃料电池用于污水处理研究的现状和展望》(1．北京大学深圳研究生院2．北京大学环境工程系）

[4]《 Exoelectrogenic bacteria that power microbial fuel cells》（Bruce E. Logan Penn State University）

[5] Hong Liu et aL Electricity Genemtion Using an Air—Cathode single Chamber Microbial Fuel Cell in the Presence and Absence of a Proton Exchange Membrane[J]．Environmental Science＆Technology．2004，38(14)：4040一4046．