微生物燃料电池废水生物处理方法与技术

1水污染现状与污水资源化

随着工农业生产的发展和人们生活水平的提高，水污染与能源危机成为了当今世界面临的两大难题。目前，仍广泛采用的是利用微生物的代谢作用除去废水中有机污染物，主要包括好氧和厌氧生物处理两种方法。然而，这两种方法在实践应用中也存在缺点。

利用微生物燃料电池回收废水中的磷

两个方面：
（1）好氧生物处理需要消耗大量的能量，运行费用高。
（2）传统的厌氧工艺虽然运行费用降低，且在处理过程中可以以甲烷形式获得额外的生物能，但由于甲烷没有合理的利用方式将其燃烧掉而无法实现能源的回收。
从循环利用角度考虑，有机废水中又包含着一定浓度的易生物降解物质和可再生利用物质，如果能够以某种方式从中回收能源和有用物质则不仅可以减少废水处理的费用，而且可以在一定程度上缓解当前面临的能源危机。

燃料电池废水的处理过程

2微生物燃料电池构造与基本原理

微生物燃料电池(MFC)是利用微生物直接氧化还原性可生物降解物质，并从中生产电能的装置。原理与燃料电池(FC)相似，但可以利用比甲醇或氢更复杂的燃料。传统的微生物燃料电池为双室型，分别由四个基本部分组成：阳极室、阴极室、质子交换膜和电解液。微生物燃料电池的基本原理是打破常规的电子传递链的传递方向，把产生的电子引到外界，从中获取能量。从另一个角度来说，是把原本的氧化还原反应的发生区域扩展到细胞以外的外界环境，延伸到整个电池结构体系中。阳极室中的电化学活性微生物在厌氧环境下催化氧化电解液中还原性有机物从中获取能量在阳电极上以生物膜的形式生长，细胞呼吸过程中释放出电子通过相关酶、辅酶和氧化还原型媒介(如果存在)传递给阳极，再通过外电路循环到达阴极形成电流。同时，在反应过程中伴随电子而产生的质子从阳极室穿过质子交换膜(PEM)到达阴极，并在阴极催化剂(例如Pt)存在条件下与那里的氧气和电子结合生成水。为提高反应速率通常在阳极室搅拌，阴极室曝气。

以葡萄糖作为微生物燃料基质为例：

只要稍微调整构型或运行条件，就能从MFC中以较高的效率产氢，而替代产电。具体做法为将阴极封闭，去除氧，并在整个电路循环上施加一个小的电压，氢气便能从阴极产生。基本原理为，微生物代谢产生的电子经过外电路循环后到达阴极后不再传递给氧，而是传递给穿过质子交换膜的质子。由此经过调整后的MFC可以成为电化学协助产氢微生物反应器(BEAMR)。电解水产氢由于其较高的热力学吸热本质，在实践中要求在电极两端施加高达1.8V左右的电压。而电化学协助产氢在热力学上为放热反应，微生物在利用有机物的同时放出热量，并在阳极产生0.3V(比标准氢电极)左右的电压。只要再额外施加0.25V的电压就能在阴极产生氢气。理论上，1mol的醋酸能产生4mol的氢气。但实际中由于能量的损失，1mol的醋酸只能产生2.9mol的氢气。

3MFC的性能优化

3.1微生物优化微生物细胞膜含有类脂或肽聚糖等不导电物质，电子难以穿过。因此通常向微生物燃料电池阳极室中人工投加电子介体来协助电子传递提高输出功率。然而这些介体具有费用昂贵、需要定期更换、对微生物有毒等缺点。

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