微生物燃料电池处理餐厨垃圾性能研究

区恒煜 杜海霞

摘  要：微生物燃料电池（MFC）可以将有机物中的化学能转化为电能，十分适合用于餐厨垃圾的处理。自从2006年起，MFC领域迅速发展，文章对国内外相关文献进行了梳理。国内外都对MFC处理餐厨废水进行了大量研究，MFC处理餐厨废水被证实是可行的，产电效率以及餐厨废水处理效率随着研究的深入不断提高，但距离完善和普及仍有一段路要走。对于餐厨垃圾固体残渣的处理，传统的焚烧、填埋方式因严重的二次污染等原因被逐渐淘汰，资源化处理正在成为主流，作为一项比较先进的技术，MFC对餐厨垃圾固体残渣的处理仍在探索阶段，国内的相关研究仍然比较少，仍待学术界对其进行更深层次的研究。

关键词：微生物燃料电池;餐厨垃圾;油脂;固体残渣

中图分类号：TM911.45 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）19-0081-03

Abstract： Microbial fuel cell （MFC） can convert the chemical energy of organic matter into electrical energy， which is very suitable for the treatment of kitchen waste. Since 2006， the field of MFC has developed rapidly. This paper reviews the relevant literature at home and abroad. A lot of research has been done on the treatment of kitchen wastewater by MFC at home and abroad. MFC treatment of kitchen wastewater has been proved to be feasible. The efficiency of electricity generation and kitchen wastewater treatment has been improved with the deepening of research， but there is still a way to go to improve and popularize. For the treatment of kitchen waste solid residue， the traditional incineration and landfill methods are gradually eliminated due to serious secondary pollution and other reasons， and resource-based treatment is becoming the mainstream. As a relatively advanced technology， MFC is still in the exploration stage in the treatment of kitchen waste solid residue， and the relevant research in China is still relatively small， which needs further research in the academic community.

Keywords： microbial fuel cell; kitchen waste; grease; solid residue

餐廚垃圾，一般指人们餐饮活动产生的垃圾，在家庭、食堂和与食品加工相关的地方较为常见。餐厨垃圾中含有大量有机物，有很高的水分、油脂和盐，如果不能得到妥善处理，将严重危害环境和人体的健康。餐厨垃圾占城市生活垃圾的很大比重，极易滋生有害细菌，产生有毒气体，因此容易带来环保、健康问题[1]。

当下我国餐饮行业发展迅速，同时经济快速发展，人们越发重视食物种类的丰富度，于是我国餐厨垃圾的排放量急剧增加。在今天，我国餐厨垃圾处理仍然是处于摸索阶段。统计指出，我国每年产生餐厨垃圾大约有一亿吨[2，3]，几乎占城市生活垃圾的一半，是我国城市生活垃圾重要组成部分[4]。传统的餐厨垃圾处理方式包括填埋、焚烧等，这些方式是不可持续且不经济的[5]。餐厨垃圾中蕴含有大量的有机物，这些有机物里有可观的可利用资源，若能充分利用，不仅可以降低餐厨垃圾处理的成本和对环境的负面影响，还可以向社会输送能源，提高生产力。目前，国内许多中大城市都在积极探索餐厨垃圾资源化处理模式，并采取了管理餐厨垃圾的措施[6]。然而，目前我国餐厨垃圾的管理和处理体系还不完善。要想实现循环利用餐厨垃圾，我们还有很长的路要走。

微生物燃料电池（MFC）是一类微生物电化学系统，其利用厌氧菌群中有电催化活性的产电菌，对阳极的有机物进行氧化反应，将电子转移到阴极，形成电路，从而实现将有机物中的化学能转化为电能的功能。目前，MFC技术已经在污水处理方面获得广泛的采用。

早在20世纪初期，MFC的概念就已经被提出，但直至20世纪末21世纪初，各种产电菌被陆续发现，人们才开始对MFC进行更广泛的研究[7]。MFC领域从2006年开始迅速发展。许多科研人员为了提高MFC的产电性能，污染物处理效率、降低成本，进行了大量的研究。如今，研究人员构造出了单室、多室等MFC构型，对电极材料的研究也备受关注，石墨、碳纸等材料是如今比较受欢迎的，研究表明增加电极材料的面积或应用多孔材料等方式也有助于提高产电性能[8]，质子交换膜、产电菌种的选择等也会对MFC的性能产生不容忽视的影响。对于餐厨垃圾，建立了藻类辅助微生物燃料电池阳极室的厌氧消化槽，被证明可以从多方面改善厌氧消化的效果[9]。

MFC的进一步研究仍有很大的完善空间，目前主要应用领域是污水处理，但MFC的应用有多元化的趋势，其无污染且低投入产出比的特点在许多领域有巨大的应用前景。餐厨垃圾中含有大量的有机物，可利用的化学能储备十分丰富，传统的处理方法又存在许多弊端，故利用微生物燃料电池处理餐厨垃圾是很有研究价值的，值得我们深入探究。

1 探明餐厨垃圾中油脂对微生物燃料电池处理餐厨垃圾性能的影响

餐厨垃圾的物理性质为固液混合，化学成分十分复杂，含有大量水分，其处理过程中会产生极高的有机物含量和显著的盐度[10]。国内外关于餐厨垃圾的处理方法已经进行了不少研究，但是通过MFC进行餐厨垃圾处理的研究并不深入，这一课题仍有很大的探讨价值。餐厨废水中含有各种油脂类物质，以及大量的悬浮物质，容易堵塞排水管道，有些不法商贩会不经处理地回收利用这些废弃物当做食品卖出，牟取暴利，危害人体健康[11]。因此，在处理餐厨垃圾的时候，有必要重视餐厨废水的处理。

当今能源供需矛盾十分严重、环境问题不容小觑，如果能将餐厨废水中的巨大生物能源单独处理，不仅能减少水和油对餐厨垃圾处理的不良影响，还可以把这些很可观的资源转化为清洁的生物能源，实现餐厨垃圾的高效利用。

微生物燃料电池是一种复杂的生物电化学反应系统，许多因素都会影响其性能。赵煜，马彦等人[12]以葡萄糖浓度、温度等作为变量，通过实验探究这些变量对反应产出的影响，发现所用设备输出功率与葡萄糖浓度呈正相关，其性能随温度升高先升后降，在35℃时有最佳电化学性能。餐厨废水属于污染量很高、成分复杂的高有机物浓度有机废水。目前，吸附、混凝、絮凝是餐饮废水处理的常用方法，存在处理成本高、处理率低等问题，使用微生物燃料电池处理餐厨废水是一个合适的思路。樊立萍，苗晓慧[13]利用不同的阴极溶解液分别证明了MFC处理餐厨废水的可行性并研究了产电性能，通过研究微生物燃料电池在不同溶液和工作环境下的发电性能和污水净化效果，表明了浓度为0.4mol/L的NaCl溶液有比较好的产电和净水性能，如果NaCl含量过高，则细菌的活性会被抑制，所以不应当使反应池的盐度过高[10，14]。Kazuhiro Hamamoto，Morio Miyahara等人[15]评估了利用微生物燃料电池从含有植物油的食品工业废水中发电的可能性，采用单室微生物燃料电池对含大豆油的人工废水进行处理，考察了几种不同条件下微生物燃料电池的除油效果和发电量，结果表明微生物燃料电池可用于含植物油的食品工业废水的能量回收。Bahareh Asefi，Shiue-Lin Li等人[16]发现以含餐厨垃圾的营养培养基和高锰酸盐作为阴极的MFC分别在775±21mV和422mW·m-2时可以获得最高的闭路电压和最大功率密度，由餐厨垃圾喂食的MFC产生的电能可以成功收集，以提供间歇性电能来驱动合适的电子设备，证明了在MFC中由餐厨垃圾产生生物电的能力，具有与其他替代餐厨垃圾处理技术竞争的潜力，因此有必要进一步发展。

通过研究餐厨垃圾中油脂对厌氧消化产甲烷的影响，王暾[17]发现，油脂量对厌氧消化反应器产甲烷效率有先升后降的作用，25%油脂含量的反应器产生甲烷效率仅有15%油脂含量反应器的41%，而15%实验组的产气效率相比空白对照组提高了85.7%。微生物燃料电池的阳极也发生厌氧消化反应，有必要研究油脂含量对其是否会有类似的影响。为了从餐厨垃圾中分离出油脂，我们可以采用隔油池加热或湿热-离心法等方法提取浮油[18]。

2 弄清微生物燃料电池处理餐厨垃圾固体残渣的效果及机理

餐厨固体垃圾是餐厨垃圾中占据很大比重的一部分，一些学者通过统计分析发现，餐厨垃圾的固体残渣占40%，其中果皮、骨头等有机物占比75%[19]。但是由于我国经济发展起步较晚，且早期对环境的关注程度有限，故我国在这类垃圾资源化的起步相较发达国家较晚，自2010年才开始得到普遍关注。目前国内餐厨垃圾处理技术路线有三类：一类是将餐厨垃圾转化为肥料;一类致力于利用生物将餐厨垃圾转化成蛋白饲料;一类通过厌氧消化实现能源循环[20]。其中前两种产业链并不完善，厌氧消化则有比较光明的应用前景。通过厌氧消化，可以更经济地产挥发性脂肪酸，产沼气以及产氢气[19]。

在垃圾处理不成熟的阶段，通常在对餐厨垃圾进行预处理后，分选出的固体垃圾会运往垃圾填埋场或焚烧厂进行填埋或焚烧。但是餐厨垃圾有特殊的理化特征和工程处理特性，容易在填埋、焚烧、堆肥处理过程产生恶臭、二噁英超标等二次污染[20，21]，而且这些方式还需要占用大量土地。因此，以厌氧消化技术解决生物质固体垃圾是比较不错的思路，对此，谭旭娜[22]进行研究后提出了利用厌氧消化产能的沼气发电设计方案。此外，通过微生物的作用处理餐厨垃圾，进行产电、开发高分子材料、制作饲料也是十分合理的选择[14]。

餐厨垃圾的固体残渣中也含有大量有机物，有很大的利用价值。刘德江等人[2]研究餐厨垃圾中不同部分厌氧消化产生甲烷等有利用价值的气体的规律，发现碳水化合物、蛋白质类等餐厨垃圾产气率与油脂类相近，这说明对餐厨垃圾固体残渣进行资源化处理是值得研究的。

对此，我们有必要对MFC处理餐厨垃圾固体残渣机理和性能进行研究。G.Antonopoulou等人[23]发现，在18h的水力停留时间下使用合成营养液运行的四空气阴极单室MFC，以稀释的干燥餐厨垃圾提取物作为进料在不同有机负荷下对MFC操作的测试表明，在最低的测试底物浓度（0.7gCOD/L）下，可獲得最佳的MFC性能。

但是目前为止，利用微生物燃料电池处理餐厨垃圾固体残渣的研究空间还很大，国内对其的研究仍比较少，距离实际应用还有很长的路要走。考虑到微生物燃料电池技术比较先进以及餐厨垃圾在人类社会中普遍存在，我们有必要对微生物燃料电池处理餐厨垃圾固体残渣的可行性和性能进行深入的调查和研究。

3 结束语

传统上，餐厨垃圾处理一般采用填埋、焚烧等方法。使用这些处理方法，餐厨垃圾中的可循环利用的部分不能尽其所能，而且这些处理方法容易造成二次污染。于是，资源化处理餐厨垃圾的方法慢慢取代了传统方法。

微生物燃料电池是一种很有前途的厌氧废物处理方法，它可以利用微生物作为催化剂，将各种有机废物如生活废水、工业废水和剩余污泥等中的化学能转化为电能，是为餐厨垃圾的资源化处理提供了一种新的思路。

与一般的生活垃圾不同，餐厨垃圾中有大量的油脂等可能影响微生物生命活动的因素。另外，餐厨垃圾中的固体残渣也可能会对微生物燃料电池产电有一定影响。目前，用微生物燃料电池处理餐厨垃圾中废水的研究并不完善，并且国内针对其处理餐厨垃圾固体残渣还有很大的研究空间。因此，对微生物燃料电池在处理餐厨垃圾时的性能和机理进行研究很有必要。

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