微生物燃料电池 让污水发电！

我国污水处理厂的吨水耗能较高，能耗成为处理费用的主要构成，建设节能型污水处理厂十分必要。通过实地调研北京的两个污水处理厂，发现其处理工艺主要包括下面的这些流程：

污水处理厂所采用的工艺为活性污泥法，是处理城市污水*广泛使用的方法。这个方法技术相对成熟，运行效率高，但是从上图也可以看出，活性污泥法的环节比较复杂，影响其工作效率的因素也很多。更重要的是，曝气需要大量的能耗，据统计，我国每年用于污水处理的耗电量已经占到全国总发电量的1%。随着能源短缺的日益加剧，节能降耗已成为污水处理行业亟需解决的现实问题。

污水一直被看做是可恶的污染源，在处理污水过程中人们不得不通过消耗电能来去除其中的含碳和氮的污染物，据统计：2010年我国用于污水处理的总耗电量约为400×108kW˙h，但同时污水中含有的污染物也可作为原料生成能源，同样以2010年为例，我国污水排放总量为617.3亿吨，COD排放量为1238.1万吨，其中蕴含515×108kW˙h电能(理论上1 kgCOD完全氧化为CO2可转化为4.16 kW˙h的电能)，如果这些电能能够完全被利用，将颠覆性地改变能源产生与消耗的走向。

让污水发电，将其看做一种能源，回收其中的能量，是一种很好的节能方法。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell， MFC)可以将污水作为底物进行发电，将其中蕴含的能量回收，可解决污水处理厂的电耗问题。MFC既可用于处理废水有机物，也可用于废水脱氮除硫，甚至可用于处理难降解有毒化合物。以下是微生物燃料电池的示意图：

在常规MFC阳极室内，厌氧产电菌通过代谢作用将作为电子供体的有机污染物氧化，释放电子和质子，产生的电子通过合适的电子传递介体传递到阳极，再经过外电路转移到阴极，释放携带的能量，由此产生电流;质子经过质子交换膜转移到阴极，在阴极室内，电子、质子和电子受体发生还原反应。微生物燃料电池可以在常温常压下进行能量的转换。 如果利用生物技术使污水能够发电，对其加以资源化利用，将可以节约大量的能耗，对于节能减排具有重要意义。目前微生物利用污水产电的能力还远远不足，通过生物技术能找到产电的超级细菌，对污水的能源进行有效利用。谈到超级细菌，应该从仿生学和其他的先进生物技术上入手。比如蝗虫，它可以吃掉自己体重1.5倍的食物，如果能够明确蝗虫吃东西的原理，是否能够应用在微生物上，提高微生物的降解效率呢?类似的研究还有很多，比如一直以来科学家都在努力寻找高效降解木质纤维素的微生物，白蚁能够吃木头，那么白蚁体内是否存在高效降解木质纤维素的微生物或这相应的功能的基因呢?外国的科学家利用分子生物学的手段提取和分析了白蚁体内对纤维素高效降解的基因，从而能将其应用在纤维素类废物的处理中。这些应用都给我们很多的启示，应该按照上述的思路，从仿生学和分子生物学的角度获得甚至构建高效产电菌的基因，进而将其应用在污水处理中，提高污水产电的效率，真的将污水处理厂变成发电厂。让这些微生物通过“吃掉”污水中的有害和无用物质来养活好自己，成为我们天然的污水清道夫;然后进一步将自己贡献给上游的生物链或者变成产能物质，构筑一个良性的能量循环。
微生物燃料电池的示意图：