微生物燃料电池在船舶生活污水处理的应用探讨

陈　雷， 胡以怀， 王之胜

(上海海事大学 商船学院， 上海201306)



微生物燃料电池在船舶生活污水处理的应用探讨

陈雷， 胡以怀， 王之胜

(上海海事大学 商船学院， 上海201306)

摘要微生物燃料电池作为一种清洁能源技术,在污水处理方面,显现出极大的发展优势和实用价值。该文提出了一种新型船舶生活污水处理方式，利用微生物燃料电池，结合厌氧消化技术，可极大地降低污泥产量，同时将污水中的化学能转化为电能和生物能。该文分析了目前存在的问题,并对今后的研究方向做出展望。

关键词微生物燃料电池船舶生活污水活性污泥法厌氧消化

Application of Microbial Fuel Cell in Marine Sewage Treatment

CHEN Lei， HU Yi-huai， WANG Zhi-sheng

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

AbstractMicrobial fuel cells, a kind of clean energy technology, has shown great development advantages and practical value in sewage treatment. This paper proposes a new ship sewage method, the use of microbial fuel cells combined with anaerobic digestion technology. Greatly reducing the production of sludge and converting chemical energy of sewage into electricity biological energy. The existing problems of MFCs were analyzed, and the future research direction was also proposed.

Keywords Microbial fuel cellShip sewageActivated sludge processAnaerobic digestion

0引言

随着全球化石类能源的过度消耗，以及在开采和使用过程中会造成环境污染，能源危机已成为当下各国所面临的严峻问题，新能源的开发技术和能源回收利用技术已成为科研领域研究的重点。船舶在营运过程中会产生大量的生活污水，船舶生活污水处理技术基本上是以岸上城市生活污水处理技术为技术原型，并根据国际海事公约、船舶的特殊工作环境转化形成。船舶生活污水当中含有大量的有机物质，蕴含着丰富的化学能，而传统污水处理工艺实际上大多是 “以能耗能”、“污染转嫁”的过程[1]。如果利用微生物燃料电池技术在处理污水的同时，将其中潜在的能源回收利用，可减少污水处理的能耗费用，并提高能源的最终利用率。

1发展历史及研究现状

1911年，英国植物学家Potter利用含有酵母菌和大肠杆菌的培养液，放入金属铂电极，首次发现了电流的产生[2]。在1984年，美国科学家研制出一款以航天员尿液为主要电解质，供外太空使用的生物燃料电池。20世纪80年代末，英国化学家利用细菌在电池组里分解分子，以释放电子并向阳极运动产生电能，在微生物发电上取得重要进展[3]。由此微生物燃料电池(MFC)受到科学家的广泛关注，使该领域的研究越发深入。目前国内外主要针对电极材料、反应器构型、电池内阻、外部电路连接做了大量研究，在污水处理方面，Kim[4，5]等证实了利用已知浓度乳酸废水、淀粉工业废水进行微生物燃料电池的可发电性。Rabaey[6]等人在不添加中介体的情况下，将电池输出功率密度提升了数倍，对于微生物燃料电池技术起到了决定性的发展。宾夕法尼亚大学的Logan[7]教授在处理生活废水以及其他类型工业废水的可放大技术方面做了大量研究。我国于20世纪90年代初，开始该领域的科研工作。

2微生物燃料电池

2.1基本特点

微生物燃料电池是以自然界中存在的微生物作为催化剂，利用其对有机物的氧化作用，将燃料中的化学能转化为电能的一种装置。其主要组成部分包括:阳极、阴极、质子交换膜、产电微生物、反应器。

按营养类型分为：异养型、光能异养型、沉积物型异养；按介体类型分为：无介体型、有介体型；按微生物类型分为：纯菌型、混菌型；按反应器类型分为：单极室型、双极室型。

微生物燃料电池主要特点如下。

(1) 能源利用率高，直接将底物中的化学能转化为电能。

(2) 原料广泛，理论上自然界中的任何有机物质都可以作为微生物的底物。

(3) 操作条件温和，微生物燃料电池可在常温常压下的环境中运行。

(4) 生物兼容性好，微生物分解有机物主要产生CO2、水等物质，对环境无污染。

2.2工作原理

以双室型直接微生物燃料电池为例，其工作原理如图1所示。

图1　微生物燃料电池工作原理

阳极反应：

(CH2O)n+nH2O→nCO2+4ne-+4nH+

阴极反应：

4e-+O2+4H+→2H2O

在阳极室：微生物附着在电极表面，与通入阳极室中的污水接触，通过自身细胞产生酶，将废水中的有机物氧化分解产生电子，穿过细胞膜直接输送到外部电极，同时将产生的CO2释放。

在阴极室：质子通过交换膜进入阴极，O2作为氧化剂被通入阴极室，接受电子发生还原反应，最终生成水。

3船舶生活污水处理

3.1常规污水处理技术

船舶生活污水是指：任何形式的厕所、小便池的排出物和其他废弃物；医务室(药房，病房等)的洗手池、洗澡盆和这些处所排水孔的排出物；装有活着的动物处所的排出物；混有上述定义的排出物的其他废水[8]。生活污水按照水质成分可划分为黑水和灰水，黑水需经过处理后达到排放标准才可排放。随着对水域管理和防污染技术要求的不断提高，灰水的单独排放，也纳入了船舶污水的管理范畴，需达到相应的排放标准。

目前的船舶生活污水处理方法主要包括物化法、电解法、生化法三种。物化法通过机械方法对污水中的固体颗粒、杂质进行固液分离，加入化学品对污水进行消毒、絮凝、沉淀。电解法利用电解消除污水中的细菌，并利用氧化剂分解污水中的有机物。生化法主要是利用微生物群体消化分解污水中的有机物,达到净化污水的目的。相对于物理法占用空间大、管道容易堵赛、消耗大量消毒剂，以及电解法投资费用高、对设备安全性高的种种不利条件，生化法具有投资费用低、排污效果好等优点。

生化法主要包括活性污泥法、生物膜法两种。由于条件限制，大多数船舶在处理生活污水时采用活性污泥法。其工作原理是通过曝气处理，向污水中通入空气，形成活性污泥，将生成的活性污泥与产生的污水进行充分混合、接触，之后将混合液通入二沉池进行固液分离，在此过程中，活性污泥中的微生物分解污水中的有机物，以维持污泥的量，并且将剩余的污泥排出。经过二沉池处理后的污泥再次进入曝气池，进行循环处理，最终将过程中产生的固体废物排出到沉淀收集柜。活性污泥法的优势在于技术成熟、对污水的净化效果好，但同时会产生大量的污泥，曝气耗能高。

3.2基于微生物燃料电池的生活污水处理

本处理系统采用微生物燃料电池与厌氧发酵技术结合的新理念。以微生物燃料电池替代活性污泥处理系统，最终可同步实现污水净化处理、电能回收利用、生物气体制备。这种方法突破了常规水处理技术的能耗束缚，具有良好的经济性以及推广价值。本系统生活污水处理流程图如图2所示。

图2　微生物燃料电池污水处理系统流程图

首先船舶生活污水经过初沉池过滤掉大量的固体悬浮物、杂质，由初沉池出口进入微生物燃料电池，利用微生物消耗污水中的大量有机物。因其采用膜技术，对于溶解性BOD的消除具有良好的效果，经处理的污水进入二沉池固液分离，流出的固体污泥与经初沉池处理过的固体杂质一同进入厌氧消化池，进行发酵处理产生甲烷燃烧气体，产生的生物固体进入焚烧炉燃烧。最后污水经杀菌处理达到排放标准后，泵出舷外。

该微生物燃料电池污水处理系统具有如下优点。

(1) 可产生有效的电能和生物能。利用微生物燃料电池消耗污水中的有机物产生电流，产生的电流取决于废水浓度与库伦效率。同时厌氧消化池产生的生物气体可用来发电和燃烧，其理论转化效率可达到30%～40%，具体视厌氧反应器类型而定。

(2) 避免曝气所需高昂费用。传统的活性污泥法需要通过曝气处理，需通过外部能量输入。而采用微生物燃料电池，可替代曝气室的设置，利用空气阴极，只需向阴极通入O2作为氧化剂即可。

(3) 潜在臭味的控制。减少了与空气的接触面积以及曝气过程，均可显著降低向周围环境释放臭味的可能性[9]。

(4) 减少了固体的产生。微生物燃料电池属于厌氧处理过程，利用阳极室采取厌氧处理的方法， 可消除污水中的大量细菌和固体悬浮物。并且通过厌氧消化池回收处理初沉池、二沉池排出的固体废物，发酵过后产生的生物固体可直接送入船舶焚烧炉燃烧处理。降低了管道堵塞的可能性和污泥运输费用。

4结论与展望

微生物燃料电池作为一种新型的清洁能源技术,在环境控制领域显示出极大的开放潜力与应用前景。尽管近几年微生物燃料电池领域研究突飞猛进，在实验室中验证了处理污水和同时发电的可行性，并将发电能力提升了几个数量级。但是由于初期投资成本高、输出功率低，距离实际污水处理应用还有距离。微生物燃料电池与厌氧消化处理技术结合运用于船舶污水处理系统，对于船舶航行时晃动、摇摆的特殊环境，以及对微生物燃料电池工作稳定性的要求，还需要做进一步研究。然而随着研究的不断深入，微生物燃料电池技术将会成为船舶污水回收利用的核心技术。针对目前所存在的问题，为了推进微生物燃料电池规模化工程应用，可从以下几方面加大研究力度。

(1) 加强产电菌种和混合菌种的研究，通过驯化培养筛选出产电效率高的菌种，从根本上解决输出功率低的难题。

(2) 寻找廉价、高效、导电性能好的电极材料和分隔材料，提高电流传递效率，降低成本。

(3) 优化反应器的结构设计，降低结构内阻，减少传递阻力，提高工作稳定性和电池输出功率。

(4) 加强对处理高浓度难降解有机废水的研究，一方面可以提高MFC的实用性，另一方面使其连续产生一定功率的电能[10]。

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中图分类号Q936

文献标志码A

作者简介：陈雷(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向为船舶动力装置。