微生物燃料电池在污水处理中的应用研究进展

王辛

摘      要： 微生物燃料电池（MFCs）是一种新型的产电装置，它利用产电微生物产生电能，因符合绿色发展理念而受到人们的广泛关注。近年来，人们将微生物燃料电池与污水处理结合，在污水处理基础上产生电能，实现了真正的可持续发展。简要概述了MFCs的工作原理、分类、特点，综述了此项技术在水处理中的应用情况，最后提出目前需要面对的问题以及未来发展方向。

关  键  词：微生物燃料电池； 可持续发展； 污水处理

中图分类号：TQ201     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2024）06-0865-04

微生物燃料电池作为一种环境友好型生物能源技术，近年来在污水处理领域引起了广泛关注。主要是利用微生物的代谢活动将有机废物转化为电能的同时，实现了废水的高效处理。传统的污水处理方法通常需要大量的电力供应和化学药剂投入，不仅存在能源浪费和环境污染问题，还使废水处理成本居高不下。在这一背景下，MFCs的出现为废水处理带来了一种全新的解决方案，具有诸多潜在的优势。

本文将回顾微生物燃料电池在污水处理领域的应用研究进展。将重点关注MFCs在提高废水处理效率、减少能源消耗、降低污染物排放等方面的潜在应用，以及在可持续能源生产和环境保护方面的前景。为进一步推动MFCs在污水处理中的应用提供理论和实践支持。

1  MFCs技术及其发展历史

生物电一词是在1790年首次被发现，1910年晚些时候，Michael Cresse Potter教授观察到浸入酵母和大肠杆菌悬浮液时铂电极之间的电流流动，揭示了细菌可以发电。这一发现使得大量学者投入MFCs技术的研究当中[1]。传统污水处理有着能耗高、产生污泥量大、不稳定、效果差等一系列缺点，有学者尝试将MFCs与污水处理工艺耦合[2]，实现绿色发展。之后的一段时间大量研究人员对产电性能[3]、污水处理效果进行研究，取得了不错的进展。

2  MFCs的工作原理

经典微生物燃料电池（MFCs），是一种生物电化学装置，它通过使用微生物作为生物催化剂，将储存在糖和醇等化学物质中的化学能直接转化为生物电能。典型的MFCs由厌氧室和好氧室组成，由质子交换膜隔开，并分别配备阳极和阴极电极，用于收获电流。MFCs中的阳极生物膜分解代谢一系列底物产生电子，而产生的电子被酶活性位点吸收，在电极作为合适的电子受体存在的情况下，电子随后被转移到外部电路，最终，这些电子减少分子氧在阴极表面，导致电流的产生[4]。

3  MFCs的分类、特点

1）根据发电的原理，将其分为氢型燃料电池[5]、自养型微生物燃料电池[6]、异养型微生物燃料电池[7]。氢型微生物燃料电池，在电极表面涂加催化剂，使微生物能够在电极表面合成氢气，从而产生电能；光能自养型燃料电池需要利用一系列感光微生物进行光合作用，使光能直接转换成电能。化能异养型燃料电池是在厌氧型和兼性微生物作用下，从有机物质中抽取电子并向电极传递电子，从而获得电功率输出。

2）微生物燃料电池按照结构可分为单极室燃料电池[8]，和多极室燃料电池[9]。单极室MFCs由空气阴极组成，取消了质子交换膜。双极室燃料电池，由一层质子交换膜将电池分成两个极室，一个是阳极室，另一个是阴极室。通过将多个单独的燃料电池进行串联，从而得到一种新型的多级串联燃料电池。

3）根据从微生物向电极传递电子的方法来进行分类。将MFCs划分为两种类型：由有无介质区分。电子在借助外在的电子中间体才能转移到阳极，这就是有介质的MFCs。在没有电子产物中间体的情况下，一些微生物可以吸附和生长到电极上，并向其直接传输电子，这就是无介质MFCs。

4  MFCs在废水处理中的应用

4.1  处理生活废水

现行的活性污泥法处理废水，需要消耗大量的电力，并且由于出水量大，给废水的处理带来了巨大的经济损失。而MFCs可以弥补常规处理技术中存在的缺陷，并与废弃物资源化的理念相吻合。

张立成[9]等在双室式微生物燃料电池基础上进行了序批式的运行，研究发现，反硝化除磷污泥在间歇操作中对模拟生活废水的处理和产电都有良好的处理效果。初始pH、MLSS等因子对脱氮、除磷和产电量有较大影响。当初始pH较高，可以提高电压，但也不是越高越好，pH过高反而会影响释磷的效果，经研究发现，最佳初始pH为7。随着MLSS的增大，系统的产电效率也随之增大。尤世界[10]等舍弃了质子交换膜构建了一种空气阴极燃料电池在110 h左右的时间内，以城市生活污水作为基质，用空气阴极燃料电池能够获得0.24 V的输出电压。以乙酸钠、葡萄糖为底物，其输出的最大能量密度为146.56 mW·m-2，最高能量密度为192.04 mW·m-2，去除率分别为99%、87%。

4.2  处理印染废水

在染色工艺中，大约有10%～15%的染料会损失到水里去。当这些废水不仅会对感官造成影响还会对鱼虾等水生生物造成危害。目前的处理方法如物理化学处理法虽然高效，但是投资大，过程复杂，容易产生二次污染；生物工艺成本低廉，但是运行时间很长。所以，发展高效的染料废水治理技术已成为人们关注的焦点[11]。

朱超将前期获得的不依赖于碳源的偶氮染料降解细菌及混合细菌接种于无膜单室MFCs中，建立了一套廉价、简单的单室MFCs，前期研究表明，在MFCs体系中，利用无碳源依赖的偶氮类染料生物降解细菌，可以同时处理单一或偶氮类染料，且具有相当的发电能力，最大脱色率达到65.1%，COD去除率达到82%。该方法不仅不需要外加的碳源，也不需要加入缓冲溶液而且可以加速脱色，因此在实际中有很好的应用前景[13]。

4.3  处理食品废水

近年来，我国食品工业取得了长足发展，但水污染问题仍然是限制其发展的重要因素。故寻找一种高效、经济的处理方法已经提上日程[14]。

苏升[15]等以食品解冻废水研究MFCs的产电能效、微生物菌群分布以及协同工作效果，研究表明，在解冻废水中，微生物燃料电池的发电在0.125～ 0.172 W·m-2，有机物的去除率可达到90%左右，发电能力较强。当增加底物有机负载时，可以有效地增加MFCs阳极的生物多样性，增加MFCs的电能转换和功率输出。以食物解冻废水[16]为底物的MFCs阳极生物膜中的主要细菌种类有：发酵型细菌和产电型细菌，它们之间紧密配合对MFCs的发电性能起着决定性的作用。陶虎春等研究双室MFCs模拟对黄姜提取薯蓣素废水进行了试验，考虑到微生物是影响其处理结果的主要因素，着重探讨了不同菌种对其影响。研究发现：以全混菌处理时间为350 h时效果最佳，COD的去除率可达90%以上；试验结果表明，添加了马铃薯碱废水的厌氧菌，其产生的电能最高可达10.32 mW·m-2。孙彩玉[17]等采用CSTR技术，以真实的中药废水为阳极底物，以真实的含镉废水为阴极电解质，建立了双室MFCs，并对其进行了初步的试验，得出以下结论：燃料电池启动后其最大输出电压为417 mV，最大体积功率密度为11.8 W·m-3。在最大的功率密度下，系统的库仑效率可达18.5%。MFCs对含药废水有很好的去除效果，其COD平均脱除率达81.5%，MFCs阴极对Cd2+有较好的脱除性，其脱除率为79.4%～84.8%。

4.4  处理制药废水

抗生素是当前治疗人类和牲畜感染性疾病的最有效药物之一。人类和动物服用的大多数抗生素并不能被机体充分代谢，约有20.0%～97.0%以活性物质的形式排出体外而进入环境[18]。由于抗生素废水的复杂性、高有机负荷与难生物降解性，彻底消除废水中的抗生素是一项艰巨的任务。

樊立萍等[19]发现制备基于CeO2-β-CD的改性电极，并将其用于处理高浓度、难降解的制药废水，能够显著提高MFCs的整体性能。运行150 h的产电输出电能提高了522.4%，COD去除率提高了94%。薛松[20]等驯化了人工湖泊底泥中所包含的微生物菌群，以链霉素废水为阳极液，构建微生物燃料电池，研究添加共基质前后微生物燃料电池的废水处理效果与同步发电性能。在常规条件下，MFCs对链霉素废水的降解效果和发电能力均较差。但在链霉素废水中添加适当葡萄糖形成共基质代谢，微生物降解有机物的能力和电子传递能力均得到显著增强，MFCs对链霉素废水的净水效果及同步产电能力也得以显著提高。

4.5  处理畜牧养殖废水

我国是肉制品消耗大国，畜禽养殖业是我国重要的农业污染源[21]，若未经过适当处理将对环境产生极大潜在威胁。其中高浓度畜禽养殖废水带来的环境污染问题最为突出，是污染防治的重点和难点[22]。

李小虎等以养殖场沼泥为接种物，构建了改性碳毡阳极单室微生物燃料电池，探讨了不同阳极改性电池的产电能力，考察了其去除养殖废水效果。发现以原水为底物时，2种改性阳极MFCs在较短的周期内（4 d）对COD和氨氮均有较高的去除率，对臭味去除明显，电压也有大幅度的提高。

5  结 论

MFCs能够在废水处理的同时产生电流，实现资源利用，具有广阔的应用前景。但是，这种新型的燃料电池产电效率不高，输出功率也很有限，这在很大程度上制约了它的应用。为了促进该技术的实用化，还需开展如下工作：

1）对产电菌种进行研究，选出最优产电菌种，配置最合适的菌种组合，从而增强其产电性能。

2）研制出一种低成本、高效率的电极材料，选用具有良好导电性的物质，使其表面形生物膜加快氧气的还原速度。

3）为了提高菌体的吸附能力，增大阳极的比表面积，并在阳极添加催化材料，促进电子传递到电极。

4）对反应器进行结构设计，并便于与其他水处理工艺联用。使理论便于应用于实际。

经过几十年的研究，微生物燃料电池技术虽然并没有得到广泛地使用，但是它的发展直到今天，仍然是一个热点。同时，在过去的20多年里，生物技术的飞速发展，为该领域积累了丰富的材料、知识和技术。

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Research Progress in Application of Microbial

Fuel Cell in Sewage Treatment

WANG Xin

（Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract：  Microbial fuel cell （MFC） is a new type of power generation device， which uses power-producing microorganisms to generate electric energy， and has attracted wide attention because it conforms to the concept of green development. In recent years， microbial fuel cells are combined with sewage treatment to generate electric energy on the basis of sewage treatment， thus realizing real sustainable development. In this paper， the working principle， classification and characteristics of MFC were briefly summarized， and the application of MFC in water treatment was summarized. Finally， the problems to be faced at present and the future development direction were put forward.

Key words：  Microbial fuel cell; Sustainable development; Sewage treatment