从废水中提取微生物制取燃料电池,环保同时还能节省成本
发布时间:2022-03-01 16:34:03
目前正在预审中的一篇论文将发表在《水研究》杂志上,该论文介绍了使用微生物燃料电池进行废水处理和能源生产的研究,这两个重要的工业部门在可持续性和绿色证书方面都有改进的余地。


从生活污水处理中回收能源


废水流出物中所含的生物质有可能被用于新产品和能源生产目的。每年产生 3000 亿立方米的生活废水,其中约 6000 亿千瓦时的能量被锁在这种宝贵的可再生资源中所含的有机物中。





从废水中回收能源为实现循环经济的目标,以及帮助降低废水处理过程的相关成本提供了机会。


最近,对微生物燃料电池的工业应用的研究越来越多。这些创新设备通过有机物的氧化来发电,在这个过程中利用产电细菌。细菌被固定在阳极上,并与燃料电池阴极处的氧还原反应相结合。


目前对微生物燃料电池的研究主要局限于实验室和实验室规模的反应器。此外,研究主要集中在使用合成废水,这并不代表典型的现实世界废水。处理实际废物流的微生物燃料电池的中试示范越来越紧迫。如果要在商业规模上实施该技术,这些都需要显示足够的性能。


工业应用微生物燃料电池设计的一个关键挑战是可扩展性。这是因为需要实现密集的电极填充,同时增加反应器的容量以使其性能最大化。





如果在放大过程中不保持电极的比表面积,则体积功率密度会受到严重影响。保持足够的电极填充需要能够承受高水压的电极,以避免阴极及其腔室的溢流。


以前的中试规模微生物燃料电池仅限于废水曝气过程。这个过程对于废水处理和能量回收来说是不可取的,因为它消耗了处理厂所用能量的一半。


直接空气阴极可以减少能源需求,但到目前为止,在微生物燃料电池中对该技术的研究一直具有挑战性。增加反应器的体积和电极尺寸会导致阴极和阴极室的泄漏和溢流。迄今为止,最大的直接空气阴极反应器使用了昂贵的贵金属催化剂,这大大增加了试点项目的资金成本。


最近,一种在窗玻璃结构中利用活性炭的新型阴极,阴极包含在不锈钢框架中。与传统阴极相比,阴极可以承受更高的水高度,并产生类似于较小的实验室规模微生物燃料电池的最大功率密度。


研究中开发的微生物燃料电池包含多面板阴极,每个阴极都有十五个活性炭阴极面板。这种新型电池在美国宾夕法尼亚州托比汉纳军用仓库产生的生活废水中进行了测试。阴极的总表面积为20 m 2,微生物燃料电池的总体积为850升。


燃料电池安装在现场已经存在的废水处理设施中。来自微生物燃料电池的流出物用作生物过滤单元的流入物。这用于进一步处理废水,以达到相关的排放标准。组合的微生物燃料电池和生物过滤系统被集成到一个废水处理装置中,每分钟可以处理和处理高达 3.79 升的生活和工业废水。


新型微生物燃料电池的最终电极填充密度与使用较小的实验室规模反应器实现的填充密度相当。即使使用较大的反应器,电子填充密度的损失也低于 6%尺寸,展示了新型燃料电池设计的性能。


作者开发的废水处理系统在六个月内进行了评估,并评估了其在各种运行模式下的水质、能源生产和能源消耗的性能。


反应堆中间的模块产生的电流是其他位置模块的四倍。该反应器设法去除了废水中 90% 的化学物质和 99% 的细菌。


论文中提出的中试规模微生物燃料电池反应器为该技术提供了一条潜在的前进道路,表明它可以集成到当前的生活和工业废水处理基础设施中,同时有效地处理废水和产生能量。