推廣使用微生物燃料電池建設節能型污水處理廠

更新時間：2016-08-30 11:16 來源：中國環境報作者: 閱讀：6617

圖為微生物燃料電池的示意圖。

圖為北京高碑店污水處理廠污水處理工藝。

圖為北京酒仙橋污水處理廠污水處理工藝。

2015年全國城鎮生活污水排放量為485.1億噸，大約是10年前的2倍；近10年來工業廢水排放量基本保持在200億噸。截至目前為止，我國城市污水的處理率平均達到80%左右。但是，我國城市污水處理廠的噸水耗能較高，能耗成為處理費用的主要構成，建設節能型污水處理廠十分必要。通過實地調研北京的兩個污水處理廠，發現其處理工藝主要包括下面的這些流程：

上述的兩個污水處理廠所采用的工藝為活性污泥法，是處理城市污水最廣泛使用的方法。這個方法技術相對成熟，運行效率高，但是從上圖也可以看出，活性污泥法的環節比較復雜，影響其工作效率的因素也很多。更重要的是，曝氣需要大量的能耗，據統計，我國每年用于污水處理的耗電量已經占到全國總發電量的1%。隨著能源短缺的日益加劇，節能降耗已成為污水處理行業亟需解決的現實問題。

污水一直被看做是可惡的污染源，在處理污水過程中人們不得不通過消耗電能來去除其中的含碳和氮的污染物，據統計：2010年我國用于污水處理的總耗電量約為400×108kW·h，但同時污水中含有的污染物也可作為原料生成能源，同樣以2010年為例，我國污水排放總量為617.3億噸，COD排放量為1238.1萬噸，其中蘊含515×108kW·h電能（理論上1kgCOD完全氧化為CO2可轉化為4.16kW·h的電能），如果這些電能能夠完全被利用，將顛覆性地改變能源產生與消耗的走向。

讓污水發電，將其看做一種能源，回收其中的能量，是一種很好的節能方法。微生物燃料電池（MicrobialFuelCell，MFC）可以將污水作為底物進行發電，將其中蘊含的能量回收，可解決污水處理廠的電耗問題。MFC既可用于處理廢水有機物，也可用于廢水脫氮除硫，甚至可用于處理難降解有毒化合物。以下是微生物燃料電池的示意圖：

在常規MFC陽極室內，厭氧產電菌通過代謝作用將作為電子供體的有機污染物氧化，釋放電子和質子，產生的電子通過合適的電子傳遞介體傳遞到陽極，再經過外電路轉移到陰極，釋放攜帶的能量，由此產生電流；質子經過質子交換膜轉移到陰極，在陰極室內，電子、質子和電子受體發生還原反應。微生物燃料電池可以在常溫常壓下進行能量的轉換。如果利用生物技術使污水能夠發電，對其加以資源化利用，將可以節約大量的能耗，對于節能減排具有重要意義。目前微生物利用污水產電的能力還遠遠不足，通過生物技術能找到產電的超級細菌，對污水的能源進行有效利用。談到超級細菌，應該從仿生學和其他的先進生物技術上入手。比如蝗蟲，它可以吃掉自己體重1.5倍的食物，如果能夠明確蝗蟲吃東西的原理，是否能夠應用在微生物上，提高微生物的降解效率呢？類似的研究還有很多，比如一直以來科學家都在努力尋找高效降解木質纖維素的微生物，白蟻能夠吃木頭，那么白蟻體內是否存在高效降解木質纖維素的微生物或這相應的功能的基因呢？外國的科學家利用分子生物學的手段提取和分析了白蟻體內對纖維素高效降解的基因，從而能將其應用在纖維素類廢物的處理中。這些應用都給我們很多的啟示，應該按照上述的思路，從仿生學和分子生物學的角度獲得甚至構建高效產電菌的基因，進而將其應用在污水處理中，提高污水產電的效率，真的將污水處理廠變成發電廠。讓這些微生物通過“吃掉”污水中的有害和無用物質來養活好自己，成為我們天然的污水清道夫；然后進一步將自己貢獻給上游的生物鏈或者變成產能物質，構筑一個良性的能量循環。

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