污水細(xì)菌經(jīng)“馴化” 清潔廢水又發(fā)電
不久前，湯森路透發(fā)布的《2014世界最具影響力的科研精英》報(bào)告中，浙大能源工程學(xué)院教授成少安入選環(huán)境與生態(tài)學(xué)科的“高被引科學(xué)家”，他的實(shí)驗(yàn)室里，成千上萬受了“馴化”的細(xì)菌正在利用污水進(jìn)行發(fā)電。
細(xì)菌經(jīng)過“馴化”，既能清潔廢水，又能發(fā)電
走進(jìn)成少安的實(shí)驗(yàn)室，幾十個(gè)比火柴盒大一些的透明“盒子”擺放著，這就是細(xì)菌電池的“原型”。仔細(xì)看，盒子上方有兩個(gè)小孔，一個(gè)孔注入污水，一個(gè)孔則排出被細(xì)菌“消化”過后變清的水。盒子的兩側(cè)是兩塊圓形的材料，一個(gè)是陰極，一個(gè)是陽極。細(xì)菌在陽極表面生長(zhǎng)，靠消耗廢水中的有機(jī)物新陳代謝，產(chǎn)生的電子則傳遞到電極上。在上面加一個(gè)載荷，就形成了電流。
“我們從每平方米電極材料產(chǎn)生零點(diǎn)幾毫瓦，到幾十毫瓦電，再提高到幾千毫瓦，已經(jīng)提高到5個(gè)數(shù)量級(jí)。”成少安說，“細(xì)菌經(jīng)過‘馴化’，就能持續(xù)地消耗廢水中的有機(jī)物，既清潔了廢水，又能有發(fā)電效果。而且對(duì)環(huán)境來說是‘零負(fù)擔(dān)’。”
細(xì)菌發(fā)電研究曾是“孤獨(dú)”的研究。從上世紀(jì)90年代之后，科學(xué)界對(duì)細(xì)菌產(chǎn)電的關(guān)注逐漸升溫。美國(guó)賓州州立大學(xué)的教授布魯斯·洛根提出，如果細(xì)菌讓廢水發(fā)電能實(shí)現(xiàn)，那么既處理了廢水，又產(chǎn)出了電能，一舉兩得。
布魯斯·洛根的課題組從污水廠取來污水，開始了雄心勃勃的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)是課題組成員之一的成少安負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)裝置的搭建和電極材料的研發(fā)。“在最初的可行性驗(yàn)證階段，電量只有幾毫瓦，但我看到渾濁的廢水慢慢變得清澈，說明細(xì)菌在工作啦！”成少安說，那是細(xì)菌第一次帶給他“感動(dòng)與信心”。
期待走出實(shí)驗(yàn)室，走向?qū)嶋H應(yīng)用
2009年，成少安回到母校浙大繼續(xù)他的研究。他的課題組一方面對(duì)細(xì)菌燃料電池的發(fā)電機(jī)理做進(jìn)一步研究，同時(shí)也在進(jìn)行大體量單體細(xì)菌電池的研發(fā)，努力讓這項(xiàng)技術(shù)早日走向?qū)嶋H應(yīng)用。
細(xì)菌燃料電池的難點(diǎn)之一，是讓盡可能多的微生物附著在電極表面，而不是在污水中“自由泳”。“給他們一個(gè)舒適的環(huán)境，讓他們高效工作。”電極材料的研發(fā)就是一個(gè)攻關(guān)方向。成少安設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置和材料，由于十分巧妙，被全世界很多實(shí)驗(yàn)室沿用。
“細(xì)菌比我們想象的聰明得多。”成少安說。比如，一開始課題組用一層薄膜把污水中的細(xì)菌分成厭氧、好氧兩個(gè)“房間”，但“墻壁”會(huì)令電池內(nèi)部的電阻增大，影響發(fā)電效率。拆掉“墻壁”會(huì)怎樣呢？課題組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)菌進(jìn)入反應(yīng)器一段時(shí)間之后，無需人為干預(yù)，就會(huì)自動(dòng)“站隊(duì)”，形成兩個(gè)區(qū)域，好氧的細(xì)菌緊貼在空氣陰極一側(cè)，而厭氧的細(xì)菌則舒舒服服地附著在另一頭的碳材料陽極上工作。“這樣，我們的反應(yīng)結(jié)構(gòu)就可以簡(jiǎn)化不少！”
成少安說，他通過計(jì)算得出，一個(gè)10萬人小城市，生活產(chǎn)生的污水用來發(fā)電的話，可以供給1000戶人家的用電量。
“我們國(guó)家產(chǎn)生的廢水量一天是54億噸，用實(shí)驗(yàn)室里這樣迷你的裝置肯定不行。還要做擴(kuò)大化研究，就是把它變成立方級(jí)的，甚至幾十立方、幾百立方單體，這樣才能在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用。”成少安說，要讓這項(xiàng)技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，還需要科學(xué)家們的共同努力。
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