微生物燃料电池在环境工程专业教学中的应用

张宝刚，杨广元, 胡伟武, 冯传平

1.中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京 100083 2.内蒙古第二水文地质工程地质勘查院，内蒙古 鄂尔多斯 017000

随着我国经济社会的发展，民众的环保意识也逐步增强，相应地，对环境保护人才的需求也逐步加大。环境工程也逐步成为我国大多数高校都开设的理工科专业。环境工程专业具有综合性强、涉及面广的特点，其课程目标主要是立足于大气污染控制、水污染控制、固体废弃物处理与处置以及噪声、电磁辐射热污染等其他公害的防治技术等内容，培养具有扎实的理论基础、熟练的专业技能，知识面宽、适应性强，初步具备环境技术和给水排水工程领域的科学研究和实际工作能力的高级工程技术人才，以适应社会的要求[1-2]。

在环境工程专业现有教学工作的基础上，紧密结合高校自身的办学特点，探索和研究具有自身特色的教学环节，加强课程的渗透力，是提高环境工程专业教学质量的重要手段之一。而模型案例可以增加教学的形象性与趣味性，在环境工程教学中历来占有重要位置。引入适当模型，可强化环境工程专业课程的教学效果，体现中国地质大学（北京）在地下水领域的教学和研究的优势。而最近新兴的微生物燃料电池技术（Microbial Fuel Cells, MFCs）具有很好的综合性与全面性，可引入到环境工程专业的教学中，收获良好的教学效果。

一、微生物燃料电池技术引入到环境工程专业教学的可行性

中国地质大学（北京）环境工程课程设置坚持“特色+精品”的理念，课程设置特色在于既注重理论知识的教学，又重视能力和素质的培养，既充分体现我校在地下水领域的教学和研究的优势，又注意拓宽专业口径，努力培养“品德优良、基础厚实、知识广博、专业精深”的高素质创新人才[3]。主要学科基础有化学（无机化学、有机化学、物理化学、分析化学等）、力学（工程力学、流体力学等）、微生物学、生态学、电工学、测量学、工程图学、水文学与水文地质学等。主干课程有水质工程学、管道工程学、大气污染控制工程、固体废物处理处置工程、流体力学与流体机械、环境学、化工原理、环境化学、环境微生物学、环境生态学、环境水文地质学、水文与水资源保护、环境评价、环境规划与管理、环境监测、环境工程设计施工与技术经济[4]。

微生物燃料电池可以同时处理污染物并产电，是未来理想的废弃物资源化工艺。这是一种以微生物为阳极催化剂将化学能直接转化成电能的装置，如图1所示。其原理是细菌降解有机物，释放出电子与质子，电子通过微生物的作用转移到阳极，再通过外电路到达阴极，从而产生电流；而质子通过分隔材料到达阴极，并与电子及高电极电势物质（通常是氧气）结合，从而完成微生物燃料电池的整个反应。与常规燃料电池相比，微生物燃料电池以微生物代替昂贵的化学催化剂，因而具有以下优点[5]：（1）燃料来源广泛；（2）反应条件温和，常温常压下即可运行；（3）环境友好，无酸、碱、重金属等污染物产生；（4）因能量转化过程无燃烧步骤，理论转化效率较高。

图1 微生物燃料电池结构示意图[3]

早在1911年，英国植物学家Potter便发现细菌培养液可以产生电流，这是关于微生物燃料电池的最早报道[6]。1984年，美国制造了一种能在外太空使用的微生物燃料电池，用以处理宇航员的尿液。近年来，微生物燃料电池技术因其本身的诸多优点及应用范围的扩大，引起世界各国研究者的高度关注，而其研究涉及材料学、电化学、微生物学以及流体力学、机械原理等多方面，这与环境工程的教学与研究方向具有高度的一致性，因而可以将此引入到环境工程教学的各个方面，尤其与中国地质大学（北京）的环境工程专业教学相结合。

归纳起来，中国地质大学（北京）环境工程专业的主要知识点有学科基础理论与技能、环境相关基础知识、污染控制技术（包括水污染、大气污染、固体废物污染等）、环保处理设施与工艺设计、环境与经济社会相关知识等。微生物燃料电池技术的发展与环境工程专业的主要知识点，尤其前三点都密切相关，可以通过教学设计，将其引入，提升教学质量，达到更好的教学效果。

二、新型案例教学设计

基于对微生物燃料电池多年的研究基础及对环境工程专业的认识，笔者总结了微生物燃料电池与以下课程的结合。

1.水质工程学教学

水质工程学围绕水的性质、给水和污水的水质特征与水质指标、水体污染及危害、改善水质的工程学原理、设计计算方法、各种水处理的理论、方法、技术以及各种给水和污水处理系统而展开。其重点之一即为研发新型的污染控制技术，以及其与传统技术的结合与组合。微生物燃料电池作为一种有应用前景的新技术，近年来得到广泛关注，也取得了进展。而微生物燃料电池可以作为案例，引入到水质工程学的教学中来。

在讲授生物处理部分，可以引入微生物燃料电池这项新技术。首先需要向学生讲清楚微生物燃料处理废水的原理。在微生物燃料电池阳极室内，同时发生着厌氧生物处理、电化学氧化、生物氧化与生物混凝等多个过程，并逐一介绍此四个过程的原理特征。然后向学生介绍当前应用微生物燃料电池技术进行污染处理的研究状况。近年来，一系列富含生物可降解有机物的废水，在微生物燃料电池中逐渐被尝试用来产电，同时废水本身得到降解。在介绍完整体研究状况后，任课教师可以根据熟悉的特征废水，展开而深入地向学生展示。需要提及的是，氮污染控制是当下环境保护工作的重点，微生物燃料电池处理含氮废水是该技术在废水处理领域最重要的应用之一，也与中国地质大学（北京）以地下水污染防治为特色的环境工程教学特点密切相关。微生物燃料电池生物脱氮的研究最早开始于2004年，研究者发现当阴极电势控制在-500mV时，微生物能够直接以阴极作为电子供体将NO3-还原[7]，这对微生物燃料电池处理含氮废水的实际应用具有十分重要的意义。同时也需要向学生说明，当前受制于材料成本，微生物燃料电池处理废水还只停留在实验室研究，还未真正应用。这样既向学生传授了生物水处理的相关知识，又激发学生进行深入了解研究的动力，培养了学生善于思考与联想的能力。

在讲授水处理系统部分时，在讲解完生活污水传统的处理工艺的基础上，可以针对当下相对难以处理的工业废水，介绍基于微生物燃料电池的新型处理工艺。如笔者所在的课题组尝试用UASBMFC-BAF的组合工艺处理糖蜜酒精废水[8]，高效去除污染物的同时，并获得1410.2mW/m2的最大功率密度。其中，在UASB单元高效去除COD并进行硫酸盐还原，MFC单元氧化硫化物的同时产电，BAF单元去除色度并降解苯酚衍生物。与常规工艺的结合为MFC在污水处理方面的应用提供了新的思路，成为一种很有前途的处理方式。这除了向学生传递了水处理工艺的相关知识，也示范了工艺组合的特点与基本规律，培养了学生讲自己所学的水处理技术融会贯通，灵活运用的能力。

2.固体废物处理处置工程教学

固体废物处理处置工程主要对固体废物的来源、分类、特点、污染控制途径、处理处置技术以及全面管理进行了概括论述，研究固体废物的处理技术、资源化技术和最终处置技术方法，并通过实验解决一些实际问题，是环境工程专业必修的专业课程。其中堆肥处理是主要的资源化技术之一，在讲到堆肥部分时，可以介绍微生物燃料电池固体废物堆肥中的应用案例，即微生物燃料电池既可以处理废水，也可以处理固体废物，展示了该技术良好的发展前景。其在固体废物堆肥中，底物不需要频繁更换，而且有机质含量高，堆肥过程自身产热可提高温度，为堆肥过程中形成的高度复杂的微生物种群的富集和生长提供了更加稳定的外部环境，当前以厨余垃圾和园林肥料为原料的堆肥微生物燃料电池也已经有报道[9]。

剩余污泥是城市污水处理厂运行中最为头疼的问题，在讲授城市污水处理厂剩余污泥处理处置部分时，可以着重介绍微生物燃料电池在剩余污泥资源化过程中的应用，微生物燃料电池可以将剩余污泥中的化学能转化为最清洁的电能，为污泥资源化提供了新的思路。具体包括直接利用剩余污泥与间接利用剩余污泥两方面，前者是直接以剩余污泥为燃料，在输出电能的同时，能达到良好的污泥减量效果；后者是分别以剩余污泥微波预处理上清液与剩余污泥发酵产生的挥发性脂肪酸作为燃料，可以有效地资源化利用剩余污泥，同时达到污泥减量的目的。将此类案例介绍给学生，既可以传授了固体废物资源化与处置的相关知识点，又可以激发学生的学习热情，提高教学质量，并且进一步培养了学生环境工程意识和环境工程研究的能力，进一步培养了学生分析和解决环境工程实际问题的能力。

3.环境学教学

环境学是环境类专业本科生的专业基础课程，旨在使学生正确理解和掌握与环境问题有关的基本概念、基本知识以及基本原理，以便为学习后续课程奠定必要的基础。而微生物燃料电池与其课程教学也有密切联系，可以成为增强教学效果的有力工具。

污染物是环境工程的处理目标，而污染物指标是检验环境技术优劣的标准，在水体污染教学方面，五日生活需氧量（BOD5）的含义与测定是教学中的一项重要内容。常规BOD5测定主要采用呼吸法，该法测定较为复杂，而且耗时长，基于微生物燃料电池工作原理的BOD5传感器具有良好的应用前景，其电流或电压与污染物浓度呈现良好的线性关系，而且能够快速响应，并且测量范围较宽，结果具有良好的重复性，因此成为微生物燃料电池实际应用领域较为重要的直接应用方向。在利用微生物燃料电池类型的传感器测定BOD5时，以待测废水为阳极液，通过之前测定的电压与浓度对应关系，读取电压值，便可换算为BOD5的浓度。此测定方法发现电池转移电荷与BOD5之间呈明显的线性关系，相关系数达到0.99，标准偏差为3%～12%。而且微生物燃料电池类型的BOD5传感器响应快，恢复能力强，当污水浓度发生变化时，电流滞后1h即可达到稳定。而且微生物燃料电池型BOD5测定方法的另一突出优点是可连续运行，无需路外保养。通过介绍微生物燃料电池在测定BOD5中的应用，可以加深学生对BOD5的理解，传授了水体污染指标的概念，也培养了学生触类旁通、理论联系实际的能力。

在环境学课程讲授中，会涉及全球的能源与环境问题，也会提到一些新型的清洁能源如氢能、核能等。此时可以介绍微生物燃料电池电助产氢的相关知识，这也是微生物燃料电池可能直接利用的主要形式。根据电化学理论，电解水的分解电压为1.6V，而在无氧气存在的条件下，在双室微生物燃料电池阴极施加一个远小于水的分解电压的小电压（一般小于0.8V），可以促进外电路转移至阴极的电子和阳极转移至阴极的质子结合而生成氢气，从而达到利用微生物燃料电池系统产生氢气的目的，该工艺产生的氢气纯度较高，并可以积累和储存以及运输，克服了以前微生物燃料电池输出功率低、无法直接应用的缺点，从而促进微生物燃料电池技术朝着实际应用又迈进了一步。这一方面可以吸引学生更深的了解微生物燃料电池技术，而且培养学生的研发兴趣与爱好，另一方面传授了氢能等清洁能源的相关知识，拓展了氢能的来源，启发了学生深入探究、勤于联想的能力，取得良好的教学效果。

三、课堂教学实践

在中国地质大学（北京），笔者主要参与环境工程专业基础课与专业课的教学。在实际教学中，将微生物燃料电池的研究心得与实际教学相结合，对教学起到很好的促进作用。如在环境专业基础课有机化学的教学中，在讲授烯烃部分时，讲到石墨烯作为微生物燃料电池阳极的优点，更多地利用了其比表面积大、易于微生物附着的特征，促进了微生物燃料电池的产电与污染物去除，使得学生对于石墨烯的应用有了更直观的认识，对教学起到了促进与拓展的作用，符合当下理论联系实际的教学思路。在环境专业主干课环境生态学的教学中，将水生生态系统部分引入微生物燃料电池的概念，介绍了产电微生物的工作原理及特性，并介绍了沉积物微生物燃料电池的工作原理及应用，这不仅向学生传递了水生生态系统中的环境微生物的类群与功能，以及污染物在水生生态系统中的迁移转化规律等知识点，而且可以使学生明晰微生物燃料电池的在其中所起的作用，形象地展示了微生物燃料电池参与污染迁移转化的过程，对于此部分知识的教学，起到很好的促进作用。讲到这些案例时，学生的学习热情都比较高涨，教学效果明显提升。可见微生物燃料电池确实是良好的教学载体，有助于提高环境工程教学的质量，笔者在后续教学中还需进一步完善提炼。

四、结束语

以环境保护案例介绍与环境污染控制技术研发为主要特点的环境工程教学，微生物燃料电池技术的发展为其提供了良好的教学案例，并可以与传统好氧、厌氧水处理技术相联系，因此可以引入到环境工程主要专业课程的教学中来，启发学生进行深入探讨，并且进行类比，使得案例教学法与类比法可以自然的引入到环境工程的教学中，收获良好的教学效果。同时，该技术又在不断发展中，课堂的引入能够激发更多人对该技术的关注与探讨，促进该技术的进一步发展。在下一步教学实践中，各科目任课教师可深入挖掘，多多总结，以微生物燃料电池为载体，努力提高环境工程专业的教学效果。

[1]蔡鹤生，王增银， 靳孟贵.环境工程专业建设与发展的实践与思考[J].中国地质教育，1997，(4)：39-41.

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[3]尚海涛，杨琦.努力建设有地学特色的环境工程专业[J].中国地质教育，2004，(l)：64-66.

[4]毕二平.对“地下水环境工程”授课方式的探讨[J].中国地质教育，2009，(4)：151-153.

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[8]Zhang B, Zhao H, Zhou S, et al.A novel UASB-MFC-BAF integrated system for high strength molasses wastewater treatment and bioelectricity generation [J].Bioresource Technology, 2009, 100 :5687-5693.

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