2015年全國城鎮(zhèn)生活污水排放量為485.1億噸，大約是10年前的2倍；近10年來工業(yè)廢水排放量基本保持在200億噸。截至目前為止，我國城市污水的處理率平均達(dá)到80%左右。但是，我國城市污水處理廠的噸水耗能較高，能耗成為處理費(fèi)用的主要構(gòu)成，建設(shè)節(jié)能型污水處理廠十分必要。通過實(shí)地調(diào)研北京的兩個(gè)污水處理廠，發(fā)現(xiàn)其處理工藝主要包括下面的這些流程：
上述的兩個(gè)污水處理廠所采用的工藝為活性污泥法，是處理城市污水最廣泛使用的方法。這個(gè)方法技術(shù)相對成熟，運(yùn)行效率高，但是從上圖也可以看出，活性污泥法的環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，影響其工作效率的因素也很多。更重要的是，曝氣需要大量的能耗，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年用于污水處理的耗電量已經(jīng)占到全國總發(fā)電量的1%。隨著能源短缺的日益加劇，節(jié)能降耗已成為污水處理行業(yè)亟需解決的現(xiàn)實(shí)問題。
污水一直被看做是可惡的污染源，在處理污水過程中人們不得不通過消耗電能來去除其中的含碳和氮的污染物，據(jù)統(tǒng)計(jì)：2010年我國用于污水處理的總耗電量約為400×108kW·h，但同時(shí)污水中含有的污染物也可作為原料生成能源，同樣以2010年為例，我國污水排放總量為617.3億噸，COD排放量為1238.1萬噸，其中蘊(yùn)含515×108kW·h電能（理論上1 kgCOD完全氧化為CO2可轉(zhuǎn)化為4.16 kW·h的電能），如果這些電能能夠完全被利用，將顛覆性地改變能源產(chǎn)生與消耗的走向。
讓污水發(fā)電，將其看做一種能源，回收其中的能量，是一種很好的節(jié)能方法。微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell， MFC）可以將污水作為底物進(jìn)行發(fā)電，將其中蘊(yùn)含的能量回收，可解決污水處理廠的電耗問題。MFC既可用于處理廢水有機(jī)物，也可用于廢水脫氮除硫，甚至可用于處理難降解有毒化合物。以下是微生物燃料電池的示意圖：
在常規(guī)MFC陽極室內(nèi)，厭氧產(chǎn)電菌通過代謝作用將作為電子供體的有機(jī)污染物氧化，釋放電子和質(zhì)子，產(chǎn)生的電子通過合適的電子傳遞介體傳遞到陽極，再經(jīng)過外電路轉(zhuǎn)移到陰極，釋放攜帶的能量，由此產(chǎn)生電流；質(zhì)子經(jīng)過質(zhì)子交換膜轉(zhuǎn)移到陰極，在陰極室內(nèi)，電子、質(zhì)子和電子受體發(fā)生還原反應(yīng)。微生物燃料電池可以在常溫常壓下進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換。 如果利用生物技術(shù)使污水能夠發(fā)電，對其加以資源化利用，將可以節(jié)約大量的能耗，對于節(jié)能減排具有重要意義。目前微生物利用污水產(chǎn)電的能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，通過生物技術(shù)能找到產(chǎn)電的超級細(xì)菌，對污水的能源進(jìn)行有效利用。談到超級細(xì)菌，應(yīng)該從仿生學(xué)和其他的先進(jìn)生物技術(shù)上入手。比如蝗蟲，它可以吃掉自己體重1.5倍的食物，如果能夠明確蝗蟲吃東西的原理，是否能夠應(yīng)用在微生物上，提高微生物的降解效率呢？類似的研究還有很多，比如一直以來科學(xué)家都在努力尋找高效降解木質(zhì)纖維素的微生物，白蟻能夠吃木頭，那么白蟻體內(nèi)是否存在高效降解木質(zhì)纖維素的微生物或這相應(yīng)的功能的基因呢？外國的科學(xué)家利用分子生物學(xué)的手段提取和分析了白蟻體內(nèi)對纖維素高效降解的基因，從而能將其應(yīng)用在纖維素類廢物的處理中。這些應(yīng)用都給我們很多的啟示，應(yīng)該按照上述的思路，從仿生學(xué)和分子生物學(xué)的角度獲得甚至構(gòu)建高效產(chǎn)電菌的基因，進(jìn)而將其應(yīng)用在污水處理中，提高污水產(chǎn)電的效率，真的將污水處理廠變成發(fā)電廠。讓這些微生物通過“吃掉”污水中的有害和無用物質(zhì)來養(yǎng)活好自己，成為我們天然的污水清道夫；然后進(jìn)一步將自己貢獻(xiàn)給上游的生物鏈或者變成產(chǎn)能物質(zhì)，構(gòu)筑一個(gè)良性的能量循環(huán)。 張?zhí)鞇?/p>
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