PDF《污水能资源回收》

一直以来,人类活动产生之污水被大量排出,污水中含有之丰富有机物与有价物质无法循环再回收 成有效可利用之能资源,反而投注额外能源与成本进行处理,造成大量资源浪费.

随著近代循环经济概 念兴起以及微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)技术之突破,许多学者开始关注循环经济型之 创新污水处理系统,於处理污水同时产生电能抑或降低水中重金属毒性,甚至从中回收有价物质以达到 永续之目标.本文整理微生物燃料电池之技术原理与组态发展,并透过生活污水与金属废水处理之案例 ,揭露此技术於水资源回收之各种潜力,最后讨论此技术於未来实际放大化之挑战与机会,以期本技术 能应用於我国污水能源回收技术之列. Vol. 45, No.

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43 专辑 都市水资源永续利用 微生物燃料电池技术原理与发展 近数十年随著人口快速增长,许多人类活动产生 之污水被大量排出.传统生物处理方法以管末角度出 发,将污水视为一种废弃物,排放之污水多进入各污 水厂沉淀池与曝气池等程序以去除其中丰富有机物, 达到净水的效果.污水含有之丰富有机质不仅无法循 环再回收成有效可利用之能源,还需投注额外能源才 能达到去除之效果.随著近代循环经济概念兴起以及 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)产电技术 之突破,许多学者尝试将有机质中蕴含之能量纳入污 水处理系统,将其回收运用,循环经济型的创新污水 处理系统概念乘势而起.相关的研究大量投注於微生 物燃料电池,期望结合循环经济的概念,同时处理废 水并产生电能,达到永续之目标. 微生物燃料电池技术之概念於

1911 年由 Potter 发现(Potter [1] ) ,此技术源自於特殊厌氧微生物於阳极 端以污水中之有机物为电子供给者,透过胞外呼吸作 用释放能量合成自身细胞,同时将电子与氢离子透过 不同传输机制传送至胞外电子受体.Heidelberg 等人则 进一步发现这些能够行胞外呼吸将电子送往胞外之产 电菌多为异化金属还原菌,代表菌属包含 Shewanella 和Geobacter 等(Heidelberg et al. [2] ) ,这类菌群统称为 胞外产电菌,能在厌氧条件於胞内氧化有机物质释放 电子,产生的电子经胞内呼吸链传递到胞外电子受体 (如碳电极)行还原作用,借由此过程产生的能量维 持微生物自身地生长.微生物释放出之电子与氢离子 分别经由外部导线与内部电池传输至阴极端之电子接 受者(例如氧气) ,完成还原反应,达到降解有机质并 同时产电之功能. 目前关於微生物燃料电池之产电效能根 Fan 等 人於

2008 年之成果已可达到每立方公尺千瓦等级之 输出效能.其於实验室规模使用碳酸氢盐缓冲溶液成 污水能资源回收 张朝钦 国立台湾大学环境工程学研究所 博士生 于昌平 国立台湾大学环境工程学研究所 副教授 DOI: 10.6653/MoCICHE.201808_45(4).0008 之应用 ― 之应用 之应用 微生物燃料电池技术 Vol. 45, No.

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44 污水能资源回收 ― 微生物燃料电池技术之应用 功使空气阴极 MFC 输出功率高达 1.55 kW/m3 (2770 mW/m2 ) (Fan [3] ) .Nevin 等人亦於

2008 年植种纯产电 Geobacter 菌株於双槽式微生物燃料电池,更进一步输 出2.15 kW/m3 (Nevin et al. [4] ) . 相较於现行其他污水能源回收之技术,微生物燃 料电池产生之电能为直流电,能降低转换损失、直接 供给储能装置与环境感测器,对於未来实现循环经济 达到污水采矿之目标具有相当之优势. 微生物燃料电池构型简介 微生物燃料电池早期即发展出多种组态,其中以阳 极、阴极与质子交换膜三者组成之双槽结构为主要发展 成熟之型式,分成 H 型以及立方型.立方型由於两极 间距小能使氢离子快速地通过质子交换膜使内阻降低而 逐渐广而被使用.Rabaey 等人於

2004 年以此构型测试 出较佳之功率,其利用葡萄糖作为基质,以铁氰化物作 为阴极电解液,铁氰化物易溶於水,在阴极几乎没有极 化现象,使得实际操作容易接近理论电位,输出功率可 产生高达 4.31 W/m2 之效能(Rabaey et al. [5] ) .图1为双槽式微生物燃料电池之示意图,阳极端微生物释放电 子与氢离子分别通过导线与质子交换膜到达阴极端与电 子接受者(以下为氧气)反应还原为 H2 O.

2004 年Liu 和Logan 等人舍弃双槽拥有的阴极反应 槽,设计出单槽空气阴极系统(详图 2) .此系统能使 电极直接与空气接触,阳极微生物释放之电子与氢离子 分别通过导线与质子交换膜到达阴极端与空气中之氧气 反应还原为 H2 O.此设计能省去曝气所需之能源消耗也 同时简化微生物燃料电池构造,缩小反应器体积、降低 成本(Liu and Logan [7] ) .2005 年Rabaey 由此设计基础 上发展出管状单槽微生物燃料电池.此构型使用石墨颗 粒作为阳极,并在阴极注入铁氰化物溶液.透过缩短阳 极与阴极室距离与较大 PEM 表面积使其内电阻可降至

4 ?,能大幅提升微生物燃料电池产电效率,并且可产 生最大

90 W/m3 之能量密度(Rabaey et al. [8] ) . 微生物燃料电池电极材料特性 电极材料亦为组成微生物燃料电池组态之关键因 子,本身材料之导电度、表面特性、生物相容性与成 本关乎微生物燃料电池之输出效能与模组成本.为了 提高生物附著量,增添产电量,许多研究对电极表面 进行改质或直接使用生物容易附著之碳毡或者较高表 面积之石墨球、碳刷(详图 3)以及奈米碳管等材料以 增加能量密度. 电极表面的改质包括将碳材料表面进行加热、酸处 理或涂料涂布,其中经过酸处理后之电极表面正电荷增 加,能够增加生物膜、减少污染物附著,降低污染物干 扰电荷传送至电极,能有效增加功率(Feng et al. [9] ) . Kim 等人则利用氧化铁涂料提高生物相容性,使功率和 库伦效率增加(Kim et al. [10] ) . 电极材料方面,其中碳毡是一种厚度较大、结构 散且成本较低廉的材料,细菌容易附著其上进行生 长.其虽孔隙率较大,但因厚度大,内部表面的基质 和电子的质量传输会受到限制(Wei et al. [11] ) .石墨 球为另一种表面积大、微生物生存空间大之电极,直 径约莫 1.5 ~ 5.5mm.You 等人以葡萄糖溶液为基质, 利用管状空气阴极槽内填装石墨球得到最大功率密度 50.2 W/m3 与最大电流密度

216 A/m3 (You et al. [12] ) . 图2空气阴极 MFC 组态示意图 (修改自 Liu and Logan[7] ) 图1双槽 MFC 组态示意图 (修改自Rismani-Yazdi et al. [6] ) Vol. 45, No.

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45 专辑 都市水资源永续利用 然而其孔隙率较低,大量堆叠与长期使用会有堵塞与 电流L集死角之问题. Logan 等人则开发出碳刷电极,其将四束

10 cm 长的碳纤维卷成一,将数捆放置於氨中前处理后制 作成刷子的长相,即可得到大表面积和大孔隙率的碳 刷,主要可分成两种尺寸,小碳刷直径 2.5 公分,长度 2.5 cm,表面积 18,200 m2 /m3 ,含有 95% 孔隙率;

大碳 刷直径

5 公分,长度

7 cm,表面积 71,700 m2 /m3 ,含有98% 孔隙率.小碳刷最大功率密度可高达

73 W/m3 (Logan et al. [13] ) . Peng 等人则指出奈米碳管(CNT)能促进电子从 微生物传送到电极(Peng et al. [14] ) .奈米碳管能小单元 复合成块状海绵(不规则 / 规则状) ,其在几公分厚内 有不同层存在,能将催化分子装在孔穴内.使用小单 元复合成的海棉块状结构孔隙率高达 99%,弹性和稳 定性高,对有机物润湿性高,压缩后能保有原来形状 (Gui et al. [15] ) . 整体而言,高导电性、高表面积与低成本之碳电 极为微生物燃料电池之理想电极,优选之碳材能降低 成本并提高整体效能,是未来微生物燃料电池放大化 之关键因子.

41 mg LC1 ,氨氮浓度为

29 mg LC1 ,pH 值则落在 6.69.

40 个电池中先行将每五组小型电池串联,形成

8 组大型 电池,然后再将其并联成一组巨大电池,运行六个月后 能得到最大功率密度 6.0 W/m3 (Zhuang et al. [16] ) . Ieropoulos 等人於

2013 年更进一步使用纯尿液作为 微生物燃料电池之进流基质,搭配其开发之陶瓷模组以 降低放大化成本,每个小型陶瓷模组体积为 6.25 mL, 共采用

24 组.试验中尿液 COD 浓度为 12.5 g LC1 ,导 电度围为

36 ~

40 mS cmC1 ,pH 值则落在 6.4 ~ 6.7.透 过单个小电池俩俩并联,形成

12 组大电池,最后再将 这12 组大电池串联成一组巨大电池(见下图 5) ,成功 输出 7.2 V 之开路电压(Ieropoulos et al. [17] ) .测试结果 显示,串联后之微生物燃料电池能成功驱动额定输入电 压3.7 V 之手机(Samsung GT-E2121B) ,使手机进行长 达4分20 秒之通话.待手机电池电能耗尽后,电压会 下降至 3.2 V,微生物燃料电池只需要充电

12 小时即可 再次驱动. 微生物燃料电池技术已进行许多放大化之试验, 透过槽体体积之放大与电池数目之增加,已能於成功 净化水质同时,回收污水中之能源、成功对小型电子 装置进行供电.其显示微生物燃料电池技术於污水采 矿已具有相当应用潜力. (图片来源 : 本研究团) 图3电极实体图之 (a) 碳毡;

(b) 碳刷;

(c) 石墨球 生活污水采矿案例 能源回收 生活污水之能源回收近几年已有许多成功案例.张 等人於

2012 年成功将

40 个体积为

50 mL 之小型空气阴 极电池成功架设成总体积

10 L 之管状连续流模组(见下 图4) .试验中污水 COD 浓度为 2.12 g LC1 ,总氮浓度为 (修改自Zhuang et al. [16] ) 图4微生物燃料电池空气阴极放大化模组示意图 (图片来源 : 本研究团) 图5微生物燃料电池尿素供电手机示意图 Vol. 45, No.

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46 污水能资源回收 ― 微生物燃料电池技术之应用 金属废水治理案例 微生物燃料电池除了可以从生活污水中进行能资 源的回收,产出电能并........