微生物燃料電池在環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

張寶剛，楊廣元, 胡偉武, 馮傳平

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083 2.內(nèi)蒙古第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，民眾的環(huán)保意識(shí)也逐步增強(qiáng)，相應(yīng)地，對(duì)環(huán)境保護(hù)人才的需求也逐步加大。環(huán)境工程也逐步成為我國(guó)大多數(shù)高校都開設(shè)的理工科專業(yè)。環(huán)境工程專業(yè)具有綜合性強(qiáng)、涉及面廣的特點(diǎn)，其課程目標(biāo)主要是立足于大氣污染控制、水污染控制、固體廢棄物處理與處置以及噪聲、電磁輻射熱污染等其他公害的防治技術(shù)等內(nèi)容，培養(yǎng)具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、熟練的專業(yè)技能，知識(shí)面寬、適應(yīng)性強(qiáng)，初步具備環(huán)境技術(shù)和給水排水工程領(lǐng)域的科學(xué)研究和實(shí)際工作能力的高級(jí)工程技術(shù)人才，以適應(yīng)社會(huì)的要求[1-2]。

在環(huán)境工程專業(yè)現(xiàn)有教學(xué)工作的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合高校自身的辦學(xué)特點(diǎn)，探索和研究具有自身特色的教學(xué)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)課程的滲透力，是提高環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的重要手段之一。而模型案例可以增加教學(xué)的形象性與趣味性，在環(huán)境工程教學(xué)中歷來占有重要位置。引入適當(dāng)模型，可強(qiáng)化環(huán)境工程專業(yè)課程的教學(xué)效果，體現(xiàn)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）在地下水領(lǐng)域的教學(xué)和研究的優(yōu)勢(shì)。而最近新興的微生物燃料電池技術(shù)（Microbial Fuel Cells, MFCs）具有很好的綜合性與全面性，可引入到環(huán)境工程專業(yè)的教學(xué)中，收獲良好的教學(xué)效果。

一、微生物燃料電池技術(shù)引入到環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)的可行性

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）環(huán)境工程課程設(shè)置堅(jiān)持“特色+精品”的理念，課程設(shè)置特色在于既注重理論知識(shí)的教學(xué)，又重視能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，既充分體現(xiàn)我校在地下水領(lǐng)域的教學(xué)和研究的優(yōu)勢(shì)，又注意拓寬專業(yè)口徑，努力培養(yǎng)“品德優(yōu)良、基礎(chǔ)厚實(shí)、知識(shí)廣博、專業(yè)精深”的高素質(zhì)創(chuàng)新人才[3]。主要學(xué)科基礎(chǔ)有化學(xué)（無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)等）、力學(xué)（工程力學(xué)、流體力學(xué)等）、微生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、電工學(xué)、測(cè)量學(xué)、工程圖學(xué)、水文學(xué)與水文地質(zhì)學(xué)等。主干課程有水質(zhì)工程學(xué)、管道工程學(xué)、大氣污染控制工程、固體廢物處理處置工程、流體力學(xué)與流體機(jī)械、環(huán)境學(xué)、化工原理、環(huán)境化學(xué)、環(huán)境微生物學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)、環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)、水文與水資源保護(hù)、環(huán)境評(píng)價(jià)、環(huán)境規(guī)劃與管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境工程設(shè)計(jì)施工與技術(shù)經(jīng)濟(jì)[4]。

微生物燃料電池可以同時(shí)處理污染物并產(chǎn)電，是未來理想的廢棄物資源化工藝。這是一種以微生物為陽(yáng)極催化劑將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，如圖1所示。其原理是細(xì)菌降解有機(jī)物，釋放出電子與質(zhì)子，電子通過微生物的作用轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極，再通過外電路到達(dá)陰極，從而產(chǎn)生電流；而質(zhì)子通過分隔材料到達(dá)陰極，并與電子及高電極電勢(shì)物質(zhì)（通常是氧氣）結(jié)合，從而完成微生物燃料電池的整個(gè)反應(yīng)。與常規(guī)燃料電池相比，微生物燃料電池以微生物代替昂貴的化學(xué)催化劑，因而具有以下優(yōu)點(diǎn)[5]：（1）燃料來源廣泛；（2）反應(yīng)條件溫和，常溫常壓下即可運(yùn)行；（3）環(huán)境友好，無酸、堿、重金屬等污染物產(chǎn)生；（4）因能量轉(zhuǎn)化過程無燃燒步驟，理論轉(zhuǎn)化效率較高。

圖1 微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖[3]

早在1911年，英國(guó)植物學(xué)家Potter便發(fā)現(xiàn)細(xì)菌培養(yǎng)液可以產(chǎn)生電流，這是關(guān)于微生物燃料電池的最早報(bào)道[6]。1984年，美國(guó)制造了一種能在外太空使用的微生物燃料電池，用以處理宇航員的尿液。近年來，微生物燃料電池技術(shù)因其本身的諸多優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，引起世界各國(guó)研究者的高度關(guān)注，而其研究涉及材料學(xué)、電化學(xué)、微生物學(xué)以及流體力學(xué)、機(jī)械原理等多方面，這與環(huán)境工程的教學(xué)與研究方向具有高度的一致性，因而可以將此引入到環(huán)境工程教學(xué)的各個(gè)方面，尤其與中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）的環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)相結(jié)合。

歸納起來，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）環(huán)境工程專業(yè)的主要知識(shí)點(diǎn)有學(xué)科基礎(chǔ)理論與技能、環(huán)境相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)、污染控制技術(shù)（包括水污染、大氣污染、固體廢物污染等）、環(huán)保處理設(shè)施與工藝設(shè)計(jì)、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)相關(guān)知識(shí)等。微生物燃料電池技術(shù)的發(fā)展與環(huán)境工程專業(yè)的主要知識(shí)點(diǎn)，尤其前三點(diǎn)都密切相關(guān)，可以通過教學(xué)設(shè)計(jì)，將其引入，提升教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

二、新型案例教學(xué)設(shè)計(jì)

基于對(duì)微生物燃料電池多年的研究基礎(chǔ)及對(duì)環(huán)境工程專業(yè)的認(rèn)識(shí)，筆者總結(jié)了微生物燃料電池與以下課程的結(jié)合。

1.水質(zhì)工程學(xué)教學(xué)

水質(zhì)工程學(xué)圍繞水的性質(zhì)、給水和污水的水質(zhì)特征與水質(zhì)指標(biāo)、水體污染及危害、改善水質(zhì)的工程學(xué)原理、設(shè)計(jì)計(jì)算方法、各種水處理的理論、方法、技術(shù)以及各種給水和污水處理系統(tǒng)而展開。其重點(diǎn)之一即為研發(fā)新型的污染控制技術(shù)，以及其與傳統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合與組合。微生物燃料電池作為一種有應(yīng)用前景的新技術(shù)，近年來得到廣泛關(guān)注，也取得了進(jìn)展。而微生物燃料電池可以作為案例，引入到水質(zhì)工程學(xué)的教學(xué)中來。

在講授生物處理部分，可以引入微生物燃料電池這項(xiàng)新技術(shù)。首先需要向?qū)W生講清楚微生物燃料處理廢水的原理。在微生物燃料電池陽(yáng)極室內(nèi)，同時(shí)發(fā)生著厭氧生物處理、電化學(xué)氧化、生物氧化與生物混凝等多個(gè)過程，并逐一介紹此四個(gè)過程的原理特征。然后向?qū)W生介紹當(dāng)前應(yīng)用微生物燃料電池技術(shù)進(jìn)行污染處理的研究狀況。近年來，一系列富含生物可降解有機(jī)物的廢水，在微生物燃料電池中逐漸被嘗試用來產(chǎn)電，同時(shí)廢水本身得到降解。在介紹完整體研究狀況后，任課教師可以根據(jù)熟悉的特征廢水，展開而深入地向?qū)W生展示。需要提及的是，氮污染控制是當(dāng)下環(huán)境保護(hù)工作的重點(diǎn)，微生物燃料電池處理含氮廢水是該技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域最重要的應(yīng)用之一，也與中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）以地下水污染防治為特色的環(huán)境工程教學(xué)特點(diǎn)密切相關(guān)。微生物燃料電池生物脫氮的研究最早開始于2004年，研究者發(fā)現(xiàn)當(dāng)陰極電勢(shì)控制在-500mV時(shí)，微生物能夠直接以陰極作為電子供體將NO3-還原[7]，這對(duì)微生物燃料電池處理含氮廢水的實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的意義。同時(shí)也需要向?qū)W生說明，當(dāng)前受制于材料成本，微生物燃料電池處理廢水還只停留在實(shí)驗(yàn)室研究，還未真正應(yīng)用。這樣既向?qū)W生傳授了生物水處理的相關(guān)知識(shí)，又激發(fā)學(xué)生進(jìn)行深入了解研究的動(dòng)力，培養(yǎng)了學(xué)生善于思考與聯(lián)想的能力。

在講授水處理系統(tǒng)部分時(shí)，在講解完生活污水傳統(tǒng)的處理工藝的基礎(chǔ)上，可以針對(duì)當(dāng)下相對(duì)難以處理的工業(yè)廢水，介紹基于微生物燃料電池的新型處理工藝。如筆者所在的課題組嘗試用UASBMFC-BAF的組合工藝處理糖蜜酒精廢水[8]，高效去除污染物的同時(shí)，并獲得1410.2mW/m2的最大功率密度。其中，在UASB單元高效去除COD并進(jìn)行硫酸鹽還原，MFC單元氧化硫化物的同時(shí)產(chǎn)電，BAF單元去除色度并降解苯酚衍生物。與常規(guī)工藝的結(jié)合為MFC在污水處理方面的應(yīng)用提供了新的思路，成為一種很有前途的處理方式。這除了向?qū)W生傳遞了水處理工藝的相關(guān)知識(shí)，也示范了工藝組合的特點(diǎn)與基本規(guī)律，培養(yǎng)了學(xué)生講自己所學(xué)的水處理技術(shù)融會(huì)貫通，靈活運(yùn)用的能力。

2.固體廢物處理處置工程教學(xué)

固體廢物處理處置工程主要對(duì)固體廢物的來源、分類、特點(diǎn)、污染控制途徑、處理處置技術(shù)以及全面管理進(jìn)行了概括論述，研究固體廢物的處理技術(shù)、資源化技術(shù)和最終處置技術(shù)方法，并通過實(shí)驗(yàn)解決一些實(shí)際問題，是環(huán)境工程專業(yè)必修的專業(yè)課程。其中堆肥處理是主要的資源化技術(shù)之一，在講到堆肥部分時(shí)，可以介紹微生物燃料電池固體廢物堆肥中的應(yīng)用案例，即微生物燃料電池既可以處理廢水，也可以處理固體廢物，展示了該技術(shù)良好的發(fā)展前景。其在固體廢物堆肥中，底物不需要頻繁更換，而且有機(jī)質(zhì)含量高，堆肥過程自身產(chǎn)熱可提高溫度，為堆肥過程中形成的高度復(fù)雜的微生物種群的富集和生長(zhǎng)提供了更加穩(wěn)定的外部環(huán)境，當(dāng)前以廚余垃圾和園林肥料為原料的堆肥微生物燃料電池也已經(jīng)有報(bào)道[9]。

剩余污泥是城市污水處理廠運(yùn)行中最為頭疼的問題，在講授城市污水處理廠剩余污泥處理處置部分時(shí)，可以著重介紹微生物燃料電池在剩余污泥資源化過程中的應(yīng)用，微生物燃料電池可以將剩余污泥中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為最清潔的電能，為污泥資源化提供了新的思路。具體包括直接利用剩余污泥與間接利用剩余污泥兩方面，前者是直接以剩余污泥為燃料，在輸出電能的同時(shí)，能達(dá)到良好的污泥減量效果；后者是分別以剩余污泥微波預(yù)處理上清液與剩余污泥發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸作為燃料，可以有效地資源化利用剩余污泥，同時(shí)達(dá)到污泥減量的目的。將此類案例介紹給學(xué)生，既可以傳授了固體廢物資源化與處置的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，又可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)質(zhì)量，并且進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生環(huán)境工程意識(shí)和環(huán)境工程研究的能力，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決環(huán)境工程實(shí)際問題的能力。

3.環(huán)境學(xué)教學(xué)

環(huán)境學(xué)是環(huán)境類專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，旨在使學(xué)生正確理解和掌握與環(huán)境問題有關(guān)的基本概念、基本知識(shí)以及基本原理，以便為學(xué)習(xí)后續(xù)課程奠定必要的基礎(chǔ)。而微生物燃料電池與其課程教學(xué)也有密切聯(lián)系，可以成為增強(qiáng)教學(xué)效果的有力工具。

污染物是環(huán)境工程的處理目標(biāo)，而污染物指標(biāo)是檢驗(yàn)環(huán)境技術(shù)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，在水體污染教學(xué)方面，五日生活需氧量（BOD5）的含義與測(cè)定是教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。常規(guī)BOD5測(cè)定主要采用呼吸法，該法測(cè)定較為復(fù)雜，而且耗時(shí)長(zhǎng)，基于微生物燃料電池工作原理的BOD5傳感器具有良好的應(yīng)用前景，其電流或電壓與污染物濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，而且能夠快速響應(yīng)，并且測(cè)量范圍較寬，結(jié)果具有良好的重復(fù)性，因此成為微生物燃料電池實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域較為重要的直接應(yīng)用方向。在利用微生物燃料電池類型的傳感器測(cè)定BOD5時(shí)，以待測(cè)廢水為陽(yáng)極液，通過之前測(cè)定的電壓與濃度對(duì)應(yīng)關(guān)系，讀取電壓值，便可換算為BOD5的濃度。此測(cè)定方法發(fā)現(xiàn)電池轉(zhuǎn)移電荷與BOD5之間呈明顯的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3%～12%。而且微生物燃料電池類型的BOD5傳感器響應(yīng)快，恢復(fù)能力強(qiáng)，當(dāng)污水濃度發(fā)生變化時(shí)，電流滯后1h即可達(dá)到穩(wěn)定。而且微生物燃料電池型BOD5測(cè)定方法的另一突出優(yōu)點(diǎn)是可連續(xù)運(yùn)行，無需路外保養(yǎng)。通過介紹微生物燃料電池在測(cè)定BOD5中的應(yīng)用，可以加深學(xué)生對(duì)BOD5的理解，傳授了水體污染指標(biāo)的概念，也培養(yǎng)了學(xué)生觸類旁通、理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

在環(huán)境學(xué)課程講授中，會(huì)涉及全球的能源與環(huán)境問題，也會(huì)提到一些新型的清潔能源如氫能、核能等。此時(shí)可以介紹微生物燃料電池電助產(chǎn)氫的相關(guān)知識(shí)，這也是微生物燃料電池可能直接利用的主要形式。根據(jù)電化學(xué)理論，電解水的分解電壓為1.6V，而在無氧氣存在的條件下，在雙室微生物燃料電池陰極施加一個(gè)遠(yuǎn)小于水的分解電壓的小電壓（一般小于0.8V），可以促進(jìn)外電路轉(zhuǎn)移至陰極的電子和陽(yáng)極轉(zhuǎn)移至陰極的質(zhì)子結(jié)合而生成氫氣，從而達(dá)到利用微生物燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生氫氣的目的，該工藝產(chǎn)生的氫氣純度較高，并可以積累和儲(chǔ)存以及運(yùn)輸，克服了以前微生物燃料電池輸出功率低、無法直接應(yīng)用的缺點(diǎn)，從而促進(jìn)微生物燃料電池技術(shù)朝著實(shí)際應(yīng)用又邁進(jìn)了一步。這一方面可以吸引學(xué)生更深的了解微生物燃料電池技術(shù)，而且培養(yǎng)學(xué)生的研發(fā)興趣與愛好，另一方面?zhèn)魇诹藲淠艿惹鍧嵞茉吹南嚓P(guān)知識(shí)，拓展了氫能的來源，啟發(fā)了學(xué)生深入探究、勤于聯(lián)想的能力，取得良好的教學(xué)效果。

三、課堂教學(xué)實(shí)踐

在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），筆者主要參與環(huán)境工程專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)課的教學(xué)。在實(shí)際教學(xué)中，將微生物燃料電池的研究心得與實(shí)際教學(xué)相結(jié)合，對(duì)教學(xué)起到很好的促進(jìn)作用。如在環(huán)境專業(yè)基礎(chǔ)課有機(jī)化學(xué)的教學(xué)中，在講授烯烴部分時(shí)，講到石墨烯作為微生物燃料電池陽(yáng)極的優(yōu)點(diǎn)，更多地利用了其比表面積大、易于微生物附著的特征，促進(jìn)了微生物燃料電池的產(chǎn)電與污染物去除，使得學(xué)生對(duì)于石墨烯的應(yīng)用有了更直觀的認(rèn)識(shí)，對(duì)教學(xué)起到了促進(jìn)與拓展的作用，符合當(dāng)下理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)思路。在環(huán)境專業(yè)主干課環(huán)境生態(tài)學(xué)的教學(xué)中，將水生生態(tài)系統(tǒng)部分引入微生物燃料電池的概念，介紹了產(chǎn)電微生物的工作原理及特性，并介紹了沉積物微生物燃料電池的工作原理及應(yīng)用，這不僅向?qū)W生傳遞了水生生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境微生物的類群與功能，以及污染物在水生生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律等知識(shí)點(diǎn)，而且可以使學(xué)生明晰微生物燃料電池的在其中所起的作用，形象地展示了微生物燃料電池參與污染遷移轉(zhuǎn)化的過程，對(duì)于此部分知識(shí)的教學(xué)，起到很好的促進(jìn)作用。講到這些案例時(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情都比較高漲，教學(xué)效果明顯提升。可見微生物燃料電池確實(shí)是良好的教學(xué)載體，有助于提高環(huán)境工程教學(xué)的質(zhì)量，筆者在后續(xù)教學(xué)中還需進(jìn)一步完善提煉。

四、結(jié)束語(yǔ)

以環(huán)境保護(hù)案例介紹與環(huán)境污染控制技術(shù)研發(fā)為主要特點(diǎn)的環(huán)境工程教學(xué)，微生物燃料電池技術(shù)的發(fā)展為其提供了良好的教學(xué)案例，并可以與傳統(tǒng)好氧、厭氧水處理技術(shù)相聯(lián)系，因此可以引入到環(huán)境工程主要專業(yè)課程的教學(xué)中來，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行深入探討，并且進(jìn)行類比，使得案例教學(xué)法與類比法可以自然的引入到環(huán)境工程的教學(xué)中，收獲良好的教學(xué)效果。同時(shí)，該技術(shù)又在不斷發(fā)展中，課堂的引入能夠激發(fā)更多人對(duì)該技術(shù)的關(guān)注與探討，促進(jìn)該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。在下一步教學(xué)實(shí)踐中，各科目任課教師可深入挖掘，多多總結(jié)，以微生物燃料電池為載體，努力提高環(huán)境工程專業(yè)的教學(xué)效果。

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