微生物燃料电池技术在铁路污水处理中的应用前景

随着中国经济的快速发展, 铁路运输行业在国民经济中也发挥着越来越大的作用。在漫长的铁路沿线上, 每年产生大量的生产和生活污水, 很多车站日常的污水由于种种原因难以排入城市市政污水处理系统, 在排放要求越来越严格的今天, 为了处理掉这些污水每年都要消耗大量的宝贵能源。由于微生物燃料电池兼具废物处理和能源生产的作用, 目前在国内外得到了广泛的研究, 把微生物燃料电池技术引入到铁路污水的处理中, 将会为铁路污水处理提供一个新的途径。

1 微生物燃料电池处理技术及发展

1.1 微生物燃料电池处理技术概述

微生物燃料电池技术的起源可以追溯到1911年, 英国植物学家M.C.Potter在进行厌氧相关的实验时发现[1], 大肠杆菌具有利用有机物产生电能的能力。在早期阶段, 由于微生物燃料电池的电压和功率输出较低, 因而没有得到应有的重视, 但是随着化石燃料短缺带来的能源危机, 关于微生物燃料电池这一新型的获得能源的方式也越发热门起来。

特别是近年来随着相关研究的深入, 科研人员发现微生物燃料电池能够直接利用污水, 从污水中得到可持续发展的绿色新能源的同时实现污水的净化。2004年, Liu等首先将微生物燃料电池引入到生活污水的处理领域, 经过单室微生物燃料电池的处理, 污水中的COD去除率达到80%, 同时得到了26m W/m2的最大产电功率, 从而印证了微生物燃料电池能够实现污水净化和能量输出[2]。近十年来, 微生物燃料电池技术的功能拓展得到了快速进展, 随着反应器构型和电极材料的优化, 系统电能输出得到了几十倍的提升。我国对微生物燃料电池技术的研究起初稍晚, 但是随着近年来对MFC技术在工业和其他类型废水的研究, MFC技术在我国的污水处理领域的研究飞速发展。

1.2 微生物燃料电池对污染物的去除机理

典型的微生物燃料电池主要由阴极、阳极和外电路构成。在反应过程中, 阳极保持厌氧状态, 阴极则处于好氧状态。厌氧微生物富集在阳极表面, 这一由于微生物附着而形成的生物膜, 在厌氧条件下发生氧化反应, 通过生物代谢分解污水中的有机物, 该过程伴随着电子的产生, 释放的电子最终通过外电路传递到阴极, 阴极的电子受体得到电子而被还原。随着反应的不断进行, 外电路获得稳定的电流[3]。

2 我国铁路污水现状

2.1 我国铁路污水的特征

铁路污水具有以下特点: (1) 主要以生活污水为主, 水质一般优于城市污水; (2) 中小车站数量众多, 一般水量相对较小, 通常不超过2000m3/d; (3) 污水可生化性较好, 主要污染物浓度较低。由于铁路具有点多线长的行业特点, 很多时候位于相对偏僻的区域, 其排水系统一般很难排入城市市政管网, 需要单独设置污水处理系统[4]。

2.2 我国铁路污水的处理现状

目前国内对铁路污水的处理已积累了一些经验, 产生了一些较为成熟的工艺。例如, 机务段、车辆段常采用气浮法等处理含油污水;粪便污水则直接设置化粪池处理。但出水水质一般还是较差, 必须经过生物二级处理等手段后才能达到排放标准。考虑到实际中站区管理水平有限等因素, 常用的工艺设备也朝着管理自动化, 运行简单节能的方向发展。

3. 利用微生物燃料电池处理铁路污水

3.1 微生物燃料电池应用到铁路污水处理中的优点

与常规的污水处理方式相比, 微生物燃料电池技术具有一些独特的优点: (1) 不仅不消耗能源, 反而在处理污水的同时能得到绿色可持续发展的电能, 实现变废为宝; (2) 底物来源广泛, 不需要特殊的预处理过程, 可直接用于处理有机废水等废弃物; (3) 反应条件要求低, 常温常压即可; (4) 污泥产量少, 减轻了后续剩余污泥的处理负担, 而且没有二次污染问题, 反应产物是水; (5) 产电菌耐冲击负荷能力较强, 在厌氧条件下, 对几百到上万的COD都能够实现高效的去除; (6) 电池的维护成本低廉, 同时操作安全方便。

3.2 利用微生物燃料电池处理铁路污水的可能性分析

目前关于微生物燃料电池的研究已经证明其可以应用于处理实际的生产生活废水, 例如食品加工废水、养殖场粪便污水、酿酒厂废水、垃圾渗滤液等。也有很多研究者将微生物燃料电池与其他常规污水处理方式相结合, 从而实现降低电能消耗, 加快污染物的去除的目的。例如将MFC用于减缓MBR工艺中膜污染;考虑到MFC阴极需要消耗氧气, 将MFC与活性污泥法结合, 通过把MFC放置在污水处理曝气池的墙壁上, 使MFC阴极能够直接利用污泥中高浓度的溶解氧。

基于铁路废水的组成特点, 其完全达到MFC处理废水的要求。目前, 还未有MFC应用于铁路废水处理的相关报道, MFC的出现有望把铁路污水处理转变成为一个有经济效益的产业, 不仅可以净化水质, 还可以发电并且回收资源。基于微生物燃料电池原理构建的污水处理系统将有望应用于实际铁路污水处理工艺流程中, 替代某一生物处处理系统或作为某一生物处理反应器的预处理工艺。更为重要的是, 微生物燃料电池产生的能源形式为电能, 可以直接利用或暂时储存, 若将其直接用于污水处理设备的驱动和维护, 将实现污水处理系统能耗自给自足。另外, 人工湿地目前在铁路污水处理中得到了很多应用[5], 而微生物燃料电池与人工湿地结合的研究也热门[6]。杨光伟等构建的人工湿地-微生物燃料电池系统不仅对生活污水有较好的处理效果, 还实现了电能的回收, 缩短了水力停留时间[7]。这些对铁路污水处理的研究都有较强的借鉴意义。

4 结语

随着环保要求逐年提高, 污水排放标准也越来越严格, 传统的铁路污水的处理方法每年要耗费大量的资金和能源, 探索铁路污水处理新技术势在必行。随着近几年材料科学的迅速发展, 微生物燃料电池技术不断革新, 其污水处理能力和电能输出也在迅速增强, 我们有理由相信微生物燃料电池, 这一解决能源危机和环境污染问题的最有前景的途径, 将会为铁路污水的处理提供了一个很好的新思路。

摘要：微生物燃料电池是近年来新兴起来的一种将污水中的化学能转化为电能的污水处理技术, 其利用产电细菌将污水中的有机物进行分解同时产生电能, 从而同步实现污水净化和能量回收。本文通过对微生物燃料电池技术及其去除机理进行论述, 结合我国铁路污水的处理现状及排放特点, 探讨了微生物燃料电池技术在铁路污水处理中的应用。

关键词：铁路污水,微生物燃料电池,铁路污水处理

参考文献

[1] MC P.Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds[J].Proceedings of the Royal Society of London Series B, 1911, 571 (84) :260-276.

[2] Liu H, Ramnarayanan R, Bruce E.Logan.Production of electricity during wastewater treatment using a single chamber microbial fuel cell[J].Environmental Science and Technology, 2004, 38 (7) :2281-2285.

[3] Park D H, Zeikus J G.Improved fuel cell and electrode designs for producing electricity from microbial degradation[J].Biotechnology and Bioengineering, 2003 3 (81) :348-355.

[4] 陈俊杰, 付永胜, 房景燕.铁路中小站段生活污水特征及匹配处理技术研究[J].铁道标准设计, 2007 (3) :88-89.

[5] 任博.人工湿地技术在铁路中小站污水处理中的应用[J].山西建筑, 1009-6825 (2013) 05-0111-02.

[6] 夏冬梅.植物微生物燃料电池工艺条件优化与电极微生物群落解析[D].哈尔滨工业大学, 2012.

[7] 杨广伟.微生物燃料电池-人工湿地系统处理污水效果及产电性能[D].哈尔滨工业大学, 2014.