微生物燃料電池在凈化廢水

『壹』 微生物燃料電池的進展

微生物燃料電池（Microbial fuel cell, MFC）是一種以產電微生物為陽極催化劑將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置，在廢水處理和新能源開發領域具有廣闊的應用前景。雖然目前已發現很多產電微生物，如希瓦氏菌、地桿菌、克雷伯氏桿菌等，但這些菌種均只能在中性條件下產電。理論上，鹼性條件可以抑制甲烷的產生從而有利於電能輸出，而且鹼性廢水是工業廢水的重要組成部分。產電微生物如何將有機物代謝產生的電子傳遞到電極上一直以來是MFC研究的一個重要方向，因此，研究鹼性條件下的微生物產電機制對MFC的電能輸出與鹼性廢水的生物處理均有重要意義。
中國科學院成都生物研究所應用與環境微生物中心李大平研究員課題組在微生物燃料電池的產電機制研究方面取得突破性進展。他們從污染環境中分離出一株嗜鹼性假單胞菌（Pseudomonas alcaliphila），該菌株在鹼性條件下能夠分解有機物的同時產生電能，最佳pH為9.5。通過研究發現，該菌株在MFC體系中代謝有機物的同時產生吩嗪-1-羧酸介體（phenazine-1-carboxylic acid，PCA），該介體起電子穿梭的作用從而實現電子從有機物到電極的傳遞過程。
相關研究成果發表在《生物資源技術》（Bioresource Technology） 上。（來源：中國科學院成都生物研究所）

『貳』 微生物燃料電池是不是屬於電化學

電化學方面主要用於工業廢水；微生物方面主要用於生活污水，個人認為電化學方面研究的潛力大些。看你的職業規劃。

『叄』 什麼是微生物燃料電池

微生物燃料電池的概念已經提出將近三十年了。當時一個英國研究人員在碳水化合專物中屬培養細菌的過程中，連接兩個電極時，觀測到了微弱的電流。盡管它還只處於實驗室研究階段。但其研究已經逐漸成形，有望成為一種替代能源。

事實上，光合作用細菌可以有效地從它們的食物中分離出能量。微生物可以從有機廢物中剝離電子，然後形成電流。利用先進的電子提取技術，可以使這個轉化過程更有效地進行。

目前，研究人員們把微生物封裝在密閉的無氧測試管中，測試管的形狀被做成類似電路的迴路。當處理廢物時，先把有機廢水通入管中，作為副產品電子向陽極移動，然後通過迴路流到陰極。另外一種副產品質子通過一塊離子交換膜流到陰極。在陰極中，電子和質子與氧氣發生反應形成水。

一塊微生物燃料電池，理論上最大可以產生1.2伏特電壓。但是可以像電池一樣把足夠多的燃料電池並聯和串聯起來，產生足夠高的電壓來作為一種有實際應用的電源。

光合作用細菌

『肆』 微生物燃料電池研究中有哪些問題尚未解決

主要問題是成本和功率密度。

1 引言 微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，MFCs)，是一種以微生物為陽極催化劑，將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置。1911年，英國植物學家Potter便發現細菌培養液可產生電流，這是關於微生物燃料電池的最早報道。近年來，MFC技術因其諸多優點及應用范圍的擴大，引起了世界各國研究者的高度關注。
毋庸置疑，微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFCs)是一種新興的高效的生物質能利用方式，它利用細菌分解生物質產生生物電能，具有無污染、能量轉化效率高、適用范圍廣泛等優點。因此MFCs逐漸成為現今社會的研究熱點之一。
2 微生物燃料電池的工作原理
圖1是典型的雙室結構MFcs工作原理示意圖，系統主要由陽極、陰極和將陰陽極分開的質子交換膜構成。陽極室中的產電菌催化氧化有機物，使其直接生成質子、電子和代謝產物，氧化過程中產生的電子通過載體傳送到電極表面。根據微生物的性質，電子傳送的載體可以為外源、與呼吸鏈有關的NADH和色素分子以及微生物代謝的還原性物質。陽極產生的H+透過質子交換膜擴散到陰極，而陽極產生的電子流經外電路循環到達電池的陰極．電子在流過外電阻時輸出電能。電子在陰極催化劑作用下。與陰極室中的電子接受體結合，並發生還原反應。

圖1 微生物燃料電池工作原理示意圖
下面以典型的葡萄糖為底物的反應為例說明MFCs的工作原理，反應中氧氣為電子受體，反應完成後葡萄糖完全被氧化。
陽極反應：
?_CHO?6HO?CO?24H?24e612622
陰極反應：
?_6O2?24H?24e?12H2O
總反應：
C6H12O6?6O2?6CO2?6H2O

3 微生物燃料電池的應用現狀
迄今為止，MFCs的性能遠低於理想狀態。制約MFCs性能的因素包括動力學因素、內阻因素和傳遞因素等。動力學制約的主要表現為活化電勢較高，致使在陽極或者陰極上的表面反應速率較低，難以獲得較高的輸出功率。內電阻具有提高電池的輸出功率的作用，主要取決於電極間電解液的阻力和質子交換膜的阻力。縮短電極間距、增加離子濃度均可降低內阻。不用質子交換膜也可以大大降低MFCs的內阻，這時得到的最大功率密度有質子交換膜的5倍，但必須注意氧氣擴散的問題。另一個重要制約因素為電子傳遞過程中的反應物到微生物活性位間的傳質阻力和陰極區電子最終受體的擴散速率。最終電子受體採用鐵氰酸鹽或陰極介體使用鐵氰化物均可以獲得更大的輸出功率和電流。另外，微生物對底物的親和力、微生物的最大生長率、生物量負荷、反應器攪拌情況、操作溫度和酸鹼度均對微生物燃料電池內的物質傳遞有影響。
當前針對微生物燃料電池主要研究其產電性能，同時由於其特殊的結構與原理，MFCs還有許多潛在應用領域，主要包括廢水處理、電助產氫、感測器三方面。
3.1 廢水處理
近年來，微生物燃料電池被嘗試用來處理富含生物可降解有機物的廢水，在廢水降解的同時產電。表3.1列舉了目前MFCs用於廢水處理的現狀。

微生物燃料電池用於污水處理的例子

此外，微生物燃料電池處理廢水具有諸多優點，還可與傳統厭氧、好氧工藝相結合，達到更好的處理效果。

3.2 電助產氫
微生物燃料電池由於輸出效率低，難以直接應用，而MFC電助產氫技術是較有前途的一種方式。其工作原理為：無氧條件下，對雙室MFC陰極施加一個遠小於水分解電壓的小電壓，可促進轉移到陰極的電子和質子結合生成氫氣，達到利用MFC系統產氫的目的。
微生物燃料電池電助產氫反應器的優點是陰極省略了MFC常用的電子受體——氫氣，可避免因氧氣通過質子交換膜向陽極擴散而影響反應器運行；同時該工藝產生的氫氣純度較高，可積累、儲存及運輸，推動了MFC技術的實際應用。
3.3 生物感測器
根據MFCs的工作原理，在一定濃度范圍內，MFCs的電流(或電壓)輸出與陽極的基質濃度有線性關系，因此可開發基於MFCs的感測器，最典型的是BOD5快速檢測。Lorenzo等以人工廢水為燃料構建型BOD5感測器，該感測器輸出功率與BOD5濃度有良好的線性關系，且有非常高的重復性和穩定性，可連續運行7個月。
除了作為BOD5感測器外，有研究者嘗試利用MFC型的感測器通過對UAFB中發
酵液pH和沼氣流速進行實時監測，實現對厭氧硝化過程動態變化的監測。還有研究者通過在MFCs的質子交換膜兩側添加2片微硅板作電流收集器，由電流變化來反映基質中的有毒化合物。這些研究都有助於擴大MFCs技術的應用領域。
4 微生物燃料電池技術發展前景
MFCs技術正在不斷成長並且已經在許多方面取得了重大突破。但是，由於其功率偏低，該技術還沒有實現真正的大規模實際應用。基於其產電性能的制約因素，今後的研究方向主要可歸納為以下幾點。
(1)深入研究並完善MFCs的產電理論。MFCs產電理論研究處於起步階段，電池輸出功率較低，嚴重製約了MFCs的實際應用。MFCs中產電微生物的生長代謝過程，產電呼吸代謝過程以及利用陽極作為電子受體的本質是今後的研究重點。
(2)篩選與培育高活性微生物。目前大多數微生物燃料電池所用微生物品種單一。要達到實際應用的目的，需要尋找自身可產生氧化還原介體的高活性微生物和具有膜結合電子傳遞化合物質的微生物。今後的研究應致力於發現和選擇這種高活性微生。
(3)優化反應器的結構；5建議；微生物燃料電池潛在的優點使研究者對其發展前景十分；(1)加強MFCs的機理研究，通過分析陽極微生物；(2)通過優化MFCs的結構、材料和運行方式等，；MFCs作為一種可再生的清潔能源技術正在迅速興起；力，同時也擴大了用來滿足我們對能源需求的燃料的多；7參考文獻；[1]姜秀華.微生物電池技術研究[D].科技資訊；[2]張靜，張寶

(3)優化反應器的結構。研究與開發單室結構和多級串聯微生物燃料電池，利用微生物固定化技術、貴金屬修飾技術等改善電極的結構和性能。選擇吸附性能好、導電性好的材料作為陽極，選擇吸氧電位高且易於撲捉質子的材料作為陰極。

5 建議
微生物燃料電池潛在的優點使研究者對其發展前景十分看好，但由於輸出功率較低，限制了在生產生活中的應用。因此，建議研究者主要從以下三方面對MFCs做進一步研究：
(1)加強MFCs的機理研究，通過分析陽極微生物確定電子產生和傳遞機理，實現對高效產電微生物的篩選和改造。
(2)通過優化MFCs的結構、材料和運行方式等，提高電子傳質速率，降低電壓損失，提高MFCs產電性能。嘗試MFCs的工程放大，實現實際應用。 6 結語
MFCs作為一種可再生的清潔能源技術正在迅速興起，並已逐步顯現出它獨有的社會價值和市場潛力。隨著研究的不斷深入以及生物電化學的不斷進步，MFCs必將得到不斷地推廣和應用。與微生物燃料電池相比，燃料電池目前使用存在著成本仍偏高, 利用率不太高的缺點，所以微生物電池有著廣闊的應用前景。與現有的其它利用有機物產能的技術相比，微生物燃料電池具有操作上和功能上的優勢：首先，它將底物直接轉化為電能，保證了具有高的能量轉化效率；其次，不同於現有的所有生物能處理，微生物燃料電池在常溫環境條件下能夠有效運作；第三，微生物燃料電池不需要進行廢氣處理，因為它所產生的廢氣的主要組分是二氧化碳，一般條件下不具有可再利用的能量；第四，微生物燃料電池不需要輸入較大能量，因為若是單室微生物燃料電池僅需通風就可以被動的補充陰極氣體；第五，在缺乏電力基礎設施的局部地區，微生物燃料電池具有廣泛應用的潛
力，同時也擴大了用來滿足我們對能源需求的燃料的多樣性。研究微生物電池是一件造福人類的偉大舉措，我們應該投入更多的人力和物力。

『伍』 微生物燃料電池的性能參數

使用微生物燃料電池產生的功率大小依賴於生物和電化學這兩方面的過程。 在平均陽極表面的功率和平均MFC反應器容積單位的功率之間，存在著明顯的差異。表2提供了目前為止報道過的與MFCs相關的最重要的的結果。大部分的研究結果都以電極表面的mA/m以及mW/m2兩種形式表示功率輸出的值，是根據傳統的催化燃料電池的描述格式衍生而來的。其中後一種格式對於描述化學燃料電池而言可能已經是充分的，但是MFCs與化學燃料電池具有本質上的差異，因為它所使用的催化劑（細菌）具有特殊的條件要求，並且占據了反應器中特定的體積，因此減少了其中的自由空間和孔隙的大小。每一個研究都參照了以下參數的特定的組合：包括反應器容積、質子交換膜、電解液、有機負荷速率以及陽極表面。但僅從這一點出發要對這些數據作出橫向比較很困難。從技術的角度來看，以陽極倉內容積（液體）所產生的瓦特/立方米（Watts/m3）為單位的形式，作為反應器的性能比較的一個基準還是有幫助的。這一單位使我們能夠橫向比較所有測試過的反應器，而且不僅僅局限於已有的研究，還可以拓展到其它已知的生物轉化技術。
此外，在反應器的庫侖效率和能量效率之間也存在著顯著的差異。庫侖效率是基於底物實際傳遞的電子的總量與理論上底物應該傳遞的電子的總量之間的比值來計算。能量效率也是電子傳遞的能量的提示，並結合考慮了電壓和電流。如表2中所見，MFC中的電流和功率之間的關系並非總是明確的。需要強調的是在特定電勢的條件下電子的傳遞速率，以及操作參數，譬如電阻的調整。如果綜合考慮這些參數的問題的話，必須要確定是最大庫侖效率（如對於廢水處理）還是最大能量效率（如對於小型電池）才是最終目標。目前觀測到的電極表面功率輸出從mW/m2~w/m2都有分布。
美國賓夕法尼亞州立大學環境工程系教授Bruce Logan的研究組正在嘗試開發微生物燃料電池，可以把未經處理的污水轉變成干凈的水，同時發電。無論對發展中國家還是發達國家，這項「一舉兩得」的技術都相當誘人。更誘人的是，據美國國家自然科學基金會（NSF）網站消息，該項技術未來還可能實現海水淡化，成為「一舉三得」的技術。

『陸』 微生物燃料電池處理污水，但怎麼處理污水裡的微生物

從字面意思不難理解，微生物燃料電池與微生物電解池主要區別是專：1.微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，屬MFC）是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置。其基本工作原理是：在陽極室厭氧環境下，有機物在微生物作用下分解並釋放出電子和質子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞，並通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質子通過質子交換膜傳遞到陰極，氧化劑 （一般為氧氣）在陰極得到電子被還原與質子結合成水。2.微生物電解池，利用微生物作為反應主體,在陰陽極間施加電流，產生氫氣或者甲烷的一種電解池。微生物電解池由池體、陽極、陰極、外電路及電源組成。在陽極上有一層由產電微生物形成的生物膜，這些微生物靠吃污水中的有機物為生。微生物電解池中的微生物，在其代謝過程中，電子從細胞內轉移到了細胞外的陽極，然後通過外電路在電源提供的電勢差作用下到達陰極。在陰極，電子和質子結合就產生了氫氣。

『柒』 微生物燃料電池簡稱MFC，是一種新型的燃料電池，它是以微生物作催化劑，以有機廢水為燃料，將有機廢水中

A．K₂S₂O₈被還原生成SO₄^2-，應為電池的正極，正極反應式為S₂O₈^2-+2e^-═2SO₄^2-，故A正確；
B．負極反應式為2CH₃COO^--16e^-+6H₂O=4CO₂+18H⁺，H⁺濃度增大，負極附近電解質溶液pH會降低，故B正確；
C．CH₃COO^-水解呈鹼性，增大CH₃COOK的濃度，溶液鹼性增強，從pH上可能與圖2不符，但如CH₃COOK的濃度過低，原電池放電效率低，電壓肯定低，故C錯誤；
D．在酸性條件下S₂O₈^2-氧化性增強，有利於電池放電，提高了電池的整體性能，故D正確．
故選C．

『捌』 小小細菌真能幹，邊凈水來邊發電

一個使用微生物工作能自行供能的污水處理廠剛剛通過了它最大的測試，這讓我們向家用級別水回收處理更近了一步。

『玖』 微生物燃料電池用污泥好還是污水好

污水作為你的電子供體，優勢在於細菌量小，不易污染你的產電菌。
污泥需要裂解後，產物才適合來產電。不然水解的過程可能是你產電菌全掛掉，有機質都還沒水解出來。

『拾』 污水水處理流程

污水處理一般流程：廢水經過格柵、篩網後流、絮凝沉澱池、預曝氣調節池、一級浮動填料生化池、二級浮動填料生化池、斜板沉澱池、混凝沉澱池後，最終斜板沉澱池排出的水流入清水池中，經檢測後外排。
污水處理是為使污水達到排入某一水體或再次使用的水質要求對其進行凈化的過程。污水處理被廣泛應用於建築、農業、交通、能源、石化、環保、城市景觀、醫療、餐飲等各個領域，也越來越多地走進尋常百姓的日常生活。具體流程如下：
1、廢水首先經過格柵、篩網後流至絮凝沉澱池,為了使處理效果好,在絮凝沉澱池中加入混凝劑,使廢水中懸浮物治理效果更好,混凝加葯也起到調節廢水的作用，絮凝沉澱後的廢水流入預曝氣調節池中。
2、曝氣調節池中通入空氣,起到預曝氣調節的作用。調節均勻的廢水用泵提升到一級浮動填料生化池中。
3、生化池中安裝充氧效率很高的曝氣頭,並裝入浮動填料,實踐證明該項技術對COD和BOD有較高的去除效率.一級浮動填料生化池中廢水自流入二級浮動填料生化池,二池採用方法相同。
4、二級浮動填料生化池水自流入斜板沉澱池中.池中加入聚丙烯蜂窩斜管,可大大提高沉降效率,另外水力負荷高,停留時間短,佔地面積小。
5、混凝沉澱池與斜板沉澱池沉澱污泥排入污泥濃縮池中,然後經污泥脫水機械脫水。
6、斜板沉澱池排出的水流入清水池中,經檢測後外排。