微生物燃料電池處理餐廚垃圾性能研究

區恒煜 杜海霞

摘 ?要：微生物燃料電池（MFC）可以將有機物中的化學能轉化為電能，十分適合用于餐廚垃圾的處理。自從2006年起，MFC領域迅速發展，文章對國內外相關文獻進行了梳理。國內外都對MFC處理餐廚廢水進行了大量研究，MFC處理餐廚廢水被證實是可行的，產電效率以及餐廚廢水處理效率隨著研究的深入不斷提高，但距離完善和普及仍有一段路要走。對于餐廚垃圾固體殘渣的處理，傳統的焚燒、填埋方式因嚴重的二次污染等原因被逐漸淘汰，資源化處理正在成為主流，作為一項比較先進的技術，MFC對餐廚垃圾固體殘渣的處理仍在探索階段，國內的相關研究仍然比較少，仍待學術界對其進行更深層次的研究。

關鍵詞：微生物燃料電池;餐廚垃圾;油脂;固體殘渣

中圖分類號：TM911.45 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）19-0081-03

Abstract： Microbial fuel cell （MFC） can convert the chemical energy of organic matter into electrical energy， which is very suitable for the treatment of kitchen waste. Since 2006， the field of MFC has developed rapidly. This paper reviews the relevant literature at home and abroad. A lot of research has been done on the treatment of kitchen wastewater by MFC at home and abroad. MFC treatment of kitchen wastewater has been proved to be feasible. The efficiency of electricity generation and kitchen wastewater treatment has been improved with the deepening of research， but there is still a way to go to improve and popularize. For the treatment of kitchen waste solid residue， the traditional incineration and landfill methods are gradually eliminated due to serious secondary pollution and other reasons， and resource-based treatment is becoming the mainstream. As a relatively advanced technology， MFC is still in the exploration stage in the treatment of kitchen waste solid residue， and the relevant research in China is still relatively small， which needs further research in the academic community.

Keywords： microbial fuel cell; kitchen waste; grease; solid residue

餐廚垃圾，一般指人們餐飲活動產生的垃圾，在家庭、食堂和與食品加工相關的地方較為常見。餐廚垃圾中含有大量有機物，有很高的水分、油脂和鹽，如果不能得到妥善處理，將嚴重危害環境和人體的健康。餐廚垃圾占城市生活垃圾的很大比重，極易滋生有害細菌，產生有毒氣體，因此容易帶來環保、健康問題[1]。

當下我國餐飲行業發展迅速，同時經濟快速發展，人們越發重視食物種類的豐富度，于是我國餐廚垃圾的排放量急劇增加。在今天，我國餐廚垃圾處理仍然是處于摸索階段。統計指出，我國每年產生餐廚垃圾大約有一億噸[2，3]，幾乎占城市生活垃圾的一半，是我國城市生活垃圾重要組成部分[4]。傳統的餐廚垃圾處理方式包括填埋、焚燒等，這些方式是不可持續且不經濟的[5]。餐廚垃圾中蘊含有大量的有機物，這些有機物里有可觀的可利用資源，若能充分利用，不僅可以降低餐廚垃圾處理的成本和對環境的負面影響，還可以向社會輸送能源，提高生產力。目前，國內許多中大城市都在積極探索餐廚垃圾資源化處理模式，并采取了管理餐廚垃圾的措施[6]。然而，目前我國餐廚垃圾的管理和處理體系還不完善。要想實現循環利用餐廚垃圾，我們還有很長的路要走。

微生物燃料電池（MFC）是一類微生物電化學系統，其利用厭氧菌群中有電催化活性的產電菌，對陽極的有機物進行氧化反應，將電子轉移到陰極，形成電路，從而實現將有機物中的化學能轉化為電能的功能。目前，MFC技術已經在污水處理方面獲得廣泛的采用。

早在20世紀初期，MFC的概念就已經被提出，但直至20世紀末21世紀初，各種產電菌被陸續發現，人們才開始對MFC進行更廣泛的研究[7]。MFC領域從2006年開始迅速發展。許多科研人員為了提高MFC的產電性能，污染物處理效率、降低成本，進行了大量的研究。如今，研究人員構造出了單室、多室等MFC構型，對電極材料的研究也備受關注，石墨、碳紙等材料是如今比較受歡迎的，研究表明增加電極材料的面積或應用多孔材料等方式也有助于提高產電性能[8]，質子交換膜、產電菌種的選擇等也會對MFC的性能產生不容忽視的影響。對于餐廚垃圾，建立了藻類輔助微生物燃料電池陽極室的厭氧消化槽，被證明可以從多方面改善厭氧消化的效果[9]。

MFC的進一步研究仍有很大的完善空間，目前主要應用領域是污水處理，但MFC的應用有多元化的趨勢，其無污染且低投入產出比的特點在許多領域有巨大的應用前景。餐廚垃圾中含有大量的有機物，可利用的化學能儲備十分豐富，傳統的處理方法又存在許多弊端，故利用微生物燃料電池處理餐廚垃圾是很有研究價值的，值得我們深入探究。

1 探明餐廚垃圾中油脂對微生物燃料電池處理餐廚垃圾性能的影響

餐廚垃圾的物理性質為固液混合，化學成分十分復雜，含有大量水分，其處理過程中會產生極高的有機物含量和顯著的鹽度[10]。國內外關于餐廚垃圾的處理方法已經進行了不少研究，但是通過MFC進行餐廚垃圾處理的研究并不深入，這一課題仍有很大的探討價值。餐廚廢水中含有各種油脂類物質，以及大量的懸浮物質，容易堵塞排水管道，有些不法商販會不經處理地回收利用這些廢棄物當做食品賣出，牟取暴利，危害人體健康[11]。因此，在處理餐廚垃圾的時候，有必要重視餐廚廢水的處理。

當今能源供需矛盾十分嚴重、環境問題不容小覷，如果能將餐廚廢水中的巨大生物能源單獨處理，不僅能減少水和油對餐廚垃圾處理的不良影響，還可以把這些很可觀的資源轉化為清潔的生物能源，實現餐廚垃圾的高效利用。

微生物燃料電池是一種復雜的生物電化學反應系統，許多因素都會影響其性能。趙煜，馬彥等人[12]以葡萄糖濃度、溫度等作為變量，通過實驗探究這些變量對反應產出的影響，發現所用設備輸出功率與葡萄糖濃度呈正相關，其性能隨溫度升高先升后降，在35℃時有最佳電化學性能。餐廚廢水屬于污染量很高、成分復雜的高有機物濃度有機廢水。目前，吸附、混凝、絮凝是餐飲廢水處理的常用方法，存在處理成本高、處理率低等問題，使用微生物燃料電池處理餐廚廢水是一個合適的思路。樊立萍，苗曉慧[13]利用不同的陰極溶解液分別證明了MFC處理餐廚廢水的可行性并研究了產電性能，通過研究微生物燃料電池在不同溶液和工作環境下的發電性能和污水凈化效果，表明了濃度為0.4mol/L的NaCl溶液有比較好的產電和凈水性能，如果NaCl含量過高，則細菌的活性會被抑制，所以不應當使反應池的鹽度過高[10，14]。Kazuhiro Hamamoto，Morio Miyahara等人[15]評估了利用微生物燃料電池從含有植物油的食品工業廢水中發電的可能性，采用單室微生物燃料電池對含大豆油的人工廢水進行處理，考察了幾種不同條件下微生物燃料電池的除油效果和發電量，結果表明微生物燃料電池可用于含植物油的食品工業廢水的能量回收。Bahareh Asefi，Shiue-Lin Li等人[16]發現以含餐廚垃圾的營養培養基和高錳酸鹽作為陰極的MFC分別在775±21mV和422mW·m-2時可以獲得最高的閉路電壓和最大功率密度，由餐廚垃圾喂食的MFC產生的電能可以成功收集，以提供間歇性電能來驅動合適的電子設備，證明了在MFC中由餐廚垃圾產生生物電的能力，具有與其他替代餐廚垃圾處理技術競爭的潛力，因此有必要進一步發展。

通過研究餐廚垃圾中油脂對厭氧消化產甲烷的影響，王暾[17]發現，油脂量對厭氧消化反應器產甲烷效率有先升后降的作用，25%油脂含量的反應器產生甲烷效率僅有15%油脂含量反應器的41%，而15%實驗組的產氣效率相比空白對照組提高了85.7%。微生物燃料電池的陽極也發生厭氧消化反應，有必要研究油脂含量對其是否會有類似的影響。為了從餐廚垃圾中分離出油脂，我們可以采用隔油池加熱或濕熱-離心法等方法提取浮油[18]。

2 弄清微生物燃料電池處理餐廚垃圾固體殘渣的效果及機理

餐廚固體垃圾是餐廚垃圾中占據很大比重的一部分，一些學者通過統計分析發現，餐廚垃圾的固體殘渣占40%，其中果皮、骨頭等有機物占比75%[19]。但是由于我國經濟發展起步較晚，且早期對環境的關注程度有限，故我國在這類垃圾資源化的起步相較發達國家較晚，自2010年才開始得到普遍關注。目前國內餐廚垃圾處理技術路線有三類：一類是將餐廚垃圾轉化為肥料;一類致力于利用生物將餐廚垃圾轉化成蛋白飼料;一類通過厭氧消化實現能源循環[20]。其中前兩種產業鏈并不完善，厭氧消化則有比較光明的應用前景。通過厭氧消化，可以更經濟地產揮發性脂肪酸，產沼氣以及產氫氣[19]。

在垃圾處理不成熟的階段，通常在對餐廚垃圾進行預處理后，分選出的固體垃圾會運往垃圾填埋場或焚燒廠進行填埋或焚燒。但是餐廚垃圾有特殊的理化特征和工程處理特性，容易在填埋、焚燒、堆肥處理過程產生惡臭、二噁英超標等二次污染[20，21]，而且這些方式還需要占用大量土地。因此，以厭氧消化技術解決生物質固體垃圾是比較不錯的思路，對此，譚旭娜[22]進行研究后提出了利用厭氧消化產能的沼氣發電設計方案。此外，通過微生物的作用處理餐廚垃圾，進行產電、開發高分子材料、制作飼料也是十分合理的選擇[14]。

餐廚垃圾的固體殘渣中也含有大量有機物，有很大的利用價值。劉德江等人[2]研究餐廚垃圾中不同部分厭氧消化產生甲烷等有利用價值的氣體的規律，發現碳水化合物、蛋白質類等餐廚垃圾產氣率與油脂類相近，這說明對餐廚垃圾固體殘渣進行資源化處理是值得研究的。

對此，我們有必要對MFC處理餐廚垃圾固體殘渣機理和性能進行研究。G.Antonopoulou等人[23]發現，在18h的水力停留時間下使用合成營養液運行的四空氣陰極單室MFC，以稀釋的干燥餐廚垃圾提取物作為進料在不同有機負荷下對MFC操作的測試表明，在最低的測試底物濃度（0.7gCOD/L）下，可獲得最佳的MFC性能。

但是目前為止，利用微生物燃料電池處理餐廚垃圾固體殘渣的研究空間還很大，國內對其的研究仍比較少，距離實際應用還有很長的路要走。考慮到微生物燃料電池技術比較先進以及餐廚垃圾在人類社會中普遍存在，我們有必要對微生物燃料電池處理餐廚垃圾固體殘渣的可行性和性能進行深入的調查和研究。

3 結束語

傳統上，餐廚垃圾處理一般采用填埋、焚燒等方法。使用這些處理方法，餐廚垃圾中的可循環利用的部分不能盡其所能，而且這些處理方法容易造成二次污染。于是，資源化處理餐廚垃圾的方法慢慢取代了傳統方法。

微生物燃料電池是一種很有前途的厭氧廢物處理方法，它可以利用微生物作為催化劑，將各種有機廢物如生活廢水、工業廢水和剩余污泥等中的化學能轉化為電能，是為餐廚垃圾的資源化處理提供了一種新的思路。

與一般的生活垃圾不同，餐廚垃圾中有大量的油脂等可能影響微生物生命活動的因素。另外，餐廚垃圾中的固體殘渣也可能會對微生物燃料電池產電有一定影響。目前，用微生物燃料電池處理餐廚垃圾中廢水的研究并不完善，并且國內針對其處理餐廚垃圾固體殘渣還有很大的研究空間。因此，對微生物燃料電池在處理餐廚垃圾時的性能和機理進行研究很有必要。

參考文獻：

[1]杜玉吉，王海剛，靳慶麥，等.餐廚垃圾處理技術應用現狀與分析[J].能源與環境，2019（01）：87+90.

[2]劉德江，侯鳳蘭，等.餐廚垃圾中的不同組分厭氧消化特性研究[J].中國沼氣，2018，36（06）：41-44.

[3]黃紅輝，王德漢，羅子鋒，等.有機負荷與回流比對餐廚垃圾兩相厭氧消化的影響[J].華南農業大學學報，2018，39（06）：47-53.

[4]王勇，任連海，趙冰，等.初始pH和溫度對餐廚垃圾厭氧發酵制氫的影響[J].環境工程學報，2017，11（12）：6470-6476.

[5]Hui Li，Yu Tian，Wei Zuo，Jun Zhang，Xiaoyue Pan，Lipin Li，Xinying Su. Electricity generation from food wastes and characteristics of organic matters in microbial fuel cell[J]. Bioresource Technology，2016，205：104-110.

[6]王耀軍.國內餐廚垃圾處理現狀與發展趨勢分析[J].節能與環保，2019（08）：47-48.

[7]蔣甜，張超，劉會洲.微生物燃料電池發展態勢分析[J].中國生物工程雜志，2020，40（Z1）：189-197.

[8]李博文，趙霞，謝華，等.微生物電化學系統在水處理中的研究進展[J/OL].應用化工：1-7[2020-04-03].

[9]Qingjie Hou，Zhigang Yang，Shuaiqi Chen，Haiyan Pei. Using an anaerobic digestion tank as the anodic chamber of an algae-assisted microbial fuel cell to improve energy production from food waste[J]. Water Research，2020，170.

[10]Matteo Grattieri，Shelley D. Minteer. Microbial fuel cells in saline and hypersaline environments： Advancements， challenges and future perspectives[J]. Bioelectrochemistry，2018，120：127-137

[11]張軍，潘曉玥，左薇，等.微生物燃料電池與好氧堆肥協同處理餐廚垃圾[J].環境工程學報，2015，9（03）：1389-1396.

[12]趙煜，馬彥，等.生物燃料電池處理生活污水同步產電特性研究[J].燃料化學學報，2014，42（04）：481-486.

[13]樊立萍，苗曉慧.微生物燃料電池處理餐飲廢水及同步發電性能研究[J].燃料化學學報，2014，42（12）：1506-1512.

[14]張璇.餐廚垃圾廢水的微生物處理與資源化技術研究[J].環境與發展，2019，31（08）：236-237.

[15]Kazuhiro Hamamoto，Morio Miyahara，et al. Evaluation of microbial fuel cells for electricity generation from oil-contaminated wastewater[J]. Journal of Bioscience and Bioengineering，2016，122（5）：589-593

[16]Bahareh Asefi，Shiue-Lin Li，et al.Characterization of electricity production and microbial community of food waste-fed microbial fuel cells[J]. Process Safety and Environmental Protection，2019，125：83-91

[17]王暾.油脂和鹽分對餐廚垃圾單級厭氧消化影響的試驗研究[D].重慶大學，2008.

[18]靳俊平，宋玉山，張瑞清，等.餐廚垃圾油脂分離技術研究及應用[J].環境衛生工程，2014，22（03）：36-38.

[19]柯壹紅，王曉潔，孫啟元，等.餐廚垃圾資源化技術現狀及研究進展[J].海峽科學，2018（06）：5-6+9.

[20]丁曉翔，姜忠磊，汪洋，等.國內主要餐廚垃圾處理技術模式探討分析[J].科技創新與應用，2020（01）：6-11.

[21]萬紅，黃高杰，劉虎成.油脂對污泥和餐廚垃圾厭氧消化的影響[J].工業安全與環保，2018，44（05）：95-98.

[22]譚旭娜.城市固體廢棄物沼氣發電系統設計[D].華南理工大學，2013.

[23]G.AntonopoulouabI，Ntaikou，et al.An overall perspective for the energetic valorization of household food waste using microbial fuel cell technology of its extract， coupled with anaerobic digestion of the solid residue[J]. Applied Energy，2019，242：1064-1073.