陳　雷， 胡以懷， 王之勝

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海201306)

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微生物燃料電池在船舶生活污水處理的應(yīng)用探討

陳雷， 胡以懷， 王之勝

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海201306)

摘要微生物燃料電池作為一種清潔能源技術(shù),在污水處理方面,顯現(xiàn)出極大的發(fā)展優(yōu)勢和實(shí)用價(jià)值。該文提出了一種新型船舶生活污水處理方式，利用微生物燃料電池，結(jié)合厭氧消化技術(shù)，可極大地降低污泥產(chǎn)量，同時(shí)將污水中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和生物能。該文分析了目前存在的問題,并對(duì)今后的研究方向做出展望。

關(guān)鍵詞微生物燃料電池船舶生活污水活性污泥法厭氧消化

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

隨著全球化石類能源的過度消耗，以及在開采和使用過程中會(huì)造成環(huán)境污染，能源危機(jī)已成為當(dāng)下各國所面臨的嚴(yán)峻問題，新能源的開發(fā)技術(shù)和能源回收利用技術(shù)已成為科研領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。船舶在營運(yùn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的生活污水，船舶生活污水處理技術(shù)基本上是以岸上城市生活污水處理技術(shù)為技術(shù)原型，并根據(jù)國際海事公約、船舶的特殊工作環(huán)境轉(zhuǎn)化形成。船舶生活污水當(dāng)中含有大量的有機(jī)物質(zhì)，蘊(yùn)含著豐富的化學(xué)能，而傳統(tǒng)污水處理工藝實(shí)際上大多是 “以能耗能”、“污染轉(zhuǎn)嫁”的過程[1]。如果利用微生物燃料電池技術(shù)在處理污水的同時(shí)，將其中潛在的能源回收利用，可減少污水處理的能耗費(fèi)用，并提高能源的最終利用率。

1發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

1911年，英國植物學(xué)家Potter利用含有酵母菌和大腸桿菌的培養(yǎng)液，放入金屬鉑電極，首次發(fā)現(xiàn)了電流的產(chǎn)生[2]。在1984年，美國科學(xué)家研制出一款以航天員尿液為主要電解質(zhì)，供外太空使用的生物燃料電池。20世紀(jì)80年代末，英國化學(xué)家利用細(xì)菌在電池組里分解分子，以釋放電子并向陽極運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能，在微生物發(fā)電上取得重要進(jìn)展[3]。由此微生物燃料電池(MFC)受到科學(xué)家的廣泛關(guān)注，使該領(lǐng)域的研究越發(fā)深入。目前國內(nèi)外主要針對(duì)電極材料、反應(yīng)器構(gòu)型、電池內(nèi)阻、外部電路連接做了大量研究，在污水處理方面，Kim[4，5]等證實(shí)了利用已知濃度乳酸廢水、淀粉工業(yè)廢水進(jìn)行微生物燃料電池的可發(fā)電性。Rabaey[6]等人在不添加中介體的情況下，將電池輸出功率密度提升了數(shù)倍，對(duì)于微生物燃料電池技術(shù)起到了決定性的發(fā)展。賓夕法尼亞大學(xué)的Logan[7]教授在處理生活廢水以及其他類型工業(yè)廢水的可放大技術(shù)方面做了大量研究。我國于20世紀(jì)90年代初，開始該領(lǐng)域的科研工作。

2微生物燃料電池

2.1基本特點(diǎn)

微生物燃料電池是以自然界中存在的微生物作為催化劑，利用其對(duì)有機(jī)物的氧化作用，將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。其主要組成部分包括:陽極、陰極、質(zhì)子交換膜、產(chǎn)電微生物、反應(yīng)器。

按營養(yǎng)類型分為：異養(yǎng)型、光能異養(yǎng)型、沉積物型異養(yǎng)；按介體類型分為：無介體型、有介體型；按微生物類型分為：純菌型、混菌型；按反應(yīng)器類型分為：單極室型、雙極室型。

微生物燃料電池主要特點(diǎn)如下。

(1) 能源利用率高，直接將底物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

(2) 原料廣泛，理論上自然界中的任何有機(jī)物質(zhì)都可以作為微生物的底物。

(3) 操作條件溫和，微生物燃料電池可在常溫常壓下的環(huán)境中運(yùn)行。

(4) 生物兼容性好，微生物分解有機(jī)物主要產(chǎn)生CO2、水等物質(zhì)，對(duì)環(huán)境無污染。

2.2工作原理

以雙室型直接微生物燃料電池為例，其工作原理如圖1所示。

圖1　微生物燃料電池工作原理

陽極反應(yīng)：

(CH2O)n+nH2O→nCO2+4ne-+4nH+

陰極反應(yīng)：

4e-+O2+4H+→2H2O

在陽極室：微生物附著在電極表面，與通入陽極室中的污水接觸，通過自身細(xì)胞產(chǎn)生酶，將廢水中的有機(jī)物氧化分解產(chǎn)生電子，穿過細(xì)胞膜直接輸送到外部電極，同時(shí)將產(chǎn)生的CO2釋放。

在陰極室：質(zhì)子通過交換膜進(jìn)入陰極，O2作為氧化劑被通入陰極室，接受電子發(fā)生還原反應(yīng)，最終生成水。

3船舶生活污水處理

3.1常規(guī)污水處理技術(shù)

船舶生活污水是指：任何形式的廁所、小便池的排出物和其他廢棄物；醫(yī)務(wù)室(藥房，病房等)的洗手池、洗澡盆和這些處所排水孔的排出物；裝有活著的動(dòng)物處所的排出物；混有上述定義的排出物的其他廢水[8]。生活污水按照水質(zhì)成分可劃分為黑水和灰水，黑水需經(jīng)過處理后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)才可排放。隨著對(duì)水域管理和防污染技術(shù)要求的不斷提高，灰水的單獨(dú)排放，也納入了船舶污水的管理范疇，需達(dá)到相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)。

目前的船舶生活污水處理方法主要包括物化法、電解法、生化法三種。物化法通過機(jī)械方法對(duì)污水中的固體顆粒、雜質(zhì)進(jìn)行固液分離，加入化學(xué)品對(duì)污水進(jìn)行消毒、絮凝、沉淀。電解法利用電解消除污水中的細(xì)菌，并利用氧化劑分解污水中的有機(jī)物。生化法主要是利用微生物群體消化分解污水中的有機(jī)物,達(dá)到凈化污水的目的。相對(duì)于物理法占用空間大、管道容易堵賽、消耗大量消毒劑，以及電解法投資費(fèi)用高、對(duì)設(shè)備安全性高的種種不利條件，生化法具有投資費(fèi)用低、排污效果好等優(yōu)點(diǎn)。

生化法主要包括活性污泥法、生物膜法兩種。由于條件限制，大多數(shù)船舶在處理生活污水時(shí)采用活性污泥法。其工作原理是通過曝氣處理，向污水中通入空氣，形成活性污泥，將生成的活性污泥與產(chǎn)生的污水進(jìn)行充分混合、接觸，之后將混合液通入二沉池進(jìn)行固液分離，在此過程中，活性污泥中的微生物分解污水中的有機(jī)物，以維持污泥的量，并且將剩余的污泥排出。經(jīng)過二沉池處理后的污泥再次進(jìn)入曝氣池，進(jìn)行循環(huán)處理，最終將過程中產(chǎn)生的固體廢物排出到沉淀收集柜?；钚晕勰喾ǖ膬?yōu)勢在于技術(shù)成熟、對(duì)污水的凈化效果好，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的污泥，曝氣耗能高。

3.2基于微生物燃料電池的生活污水處理

本處理系統(tǒng)采用微生物燃料電池與厭氧發(fā)酵技術(shù)結(jié)合的新理念。以微生物燃料電池替代活性污泥處理系統(tǒng)，最終可同步實(shí)現(xiàn)污水凈化處理、電能回收利用、生物氣體制備。這種方法突破了常規(guī)水處理技術(shù)的能耗束縛，具有良好的經(jīng)濟(jì)性以及推廣價(jià)值。本系統(tǒng)生活污水處理流程圖如圖2所示。

圖2　微生物燃料電池污水處理系統(tǒng)流程圖

首先船舶生活污水經(jīng)過初沉池過濾掉大量的固體懸浮物、雜質(zhì)，由初沉池出口進(jìn)入微生物燃料電池，利用微生物消耗污水中的大量有機(jī)物。因其采用膜技術(shù)，對(duì)于溶解性BOD的消除具有良好的效果，經(jīng)處理的污水進(jìn)入二沉池固液分離，流出的固體污泥與經(jīng)初沉池處理過的固體雜質(zhì)一同進(jìn)入?yún)捬跸?，進(jìn)行發(fā)酵處理產(chǎn)生甲烷燃燒氣體，產(chǎn)生的生物固體進(jìn)入焚燒爐燃燒。最后污水經(jīng)殺菌處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后，泵出舷外。

該微生物燃料電池污水處理系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1) 可產(chǎn)生有效的電能和生物能。利用微生物燃料電池消耗污水中的有機(jī)物產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流取決于廢水濃度與庫倫效率。同時(shí)厭氧消化池產(chǎn)生的生物氣體可用來發(fā)電和燃燒，其理論轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到30%～40%，具體視厭氧反應(yīng)器類型而定。

(2) 避免曝氣所需高昂費(fèi)用。傳統(tǒng)的活性污泥法需要通過曝氣處理，需通過外部能量輸入。而采用微生物燃料電池，可替代曝氣室的設(shè)置，利用空氣陰極，只需向陰極通入O2作為氧化劑即可。

(3) 潛在臭味的控制。減少了與空氣的接觸面積以及曝氣過程，均可顯著降低向周圍環(huán)境釋放臭味的可能性[9]。

(4) 減少了固體的產(chǎn)生。微生物燃料電池屬于厭氧處理過程，利用陽極室采取厭氧處理的方法， 可消除污水中的大量細(xì)菌和固體懸浮物。并且通過厭氧消化池回收處理初沉池、二沉池排出的固體廢物，發(fā)酵過后產(chǎn)生的生物固體可直接送入船舶焚燒爐燃燒處理。降低了管道堵塞的可能性和污泥運(yùn)輸費(fèi)用。

4結(jié)論與展望

微生物燃料電池作為一種新型的清潔能源技術(shù),在環(huán)境控制領(lǐng)域顯示出極大的開放潛力與應(yīng)用前景。盡管近幾年微生物燃料電池領(lǐng)域研究突飛猛進(jìn)，在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證了處理污水和同時(shí)發(fā)電的可行性，并將發(fā)電能力提升了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。但是由于初期投資成本高、輸出功率低，距離實(shí)際污水處理應(yīng)用還有距離。微生物燃料電池與厭氧消化處理技術(shù)結(jié)合運(yùn)用于船舶污水處理系統(tǒng)，對(duì)于船舶航行時(shí)晃動(dòng)、搖擺的特殊環(huán)境，以及對(duì)微生物燃料電池工作穩(wěn)定性的要求，還需要做進(jìn)一步研究。然而隨著研究的不斷深入，微生物燃料電池技術(shù)將會(huì)成為船舶污水回收利用的核心技術(shù)。針對(duì)目前所存在的問題，為了推進(jìn)微生物燃料電池規(guī)?；こ虘?yīng)用，可從以下幾方面加大研究力度。

(1) 加強(qiáng)產(chǎn)電菌種和混合菌種的研究，通過馴化培養(yǎng)篩選出產(chǎn)電效率高的菌種，從根本上解決輸出功率低的難題。

(2) 尋找廉價(jià)、高效、導(dǎo)電性能好的電極材料和分隔材料，提高電流傳遞效率，降低成本。

(3) 優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)阻，減少傳遞阻力，提高工作穩(wěn)定性和電池輸出功率。

(4) 加強(qiáng)對(duì)處理高濃度難降解有機(jī)廢水的研究，一方面可以提高M(jìn)FC的實(shí)用性，另一方面使其連續(xù)產(chǎn)生一定功率的電能[10]。

[下轉(zhuǎn)第32頁]

中圖分類號(hào)Q936

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡介：陳雷(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇皠?dòng)力裝置。