污水細菌經“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》報告中，浙大能源工程學院教授成少安入選環(huán)境與生態(tài)學科的“高被引科學家”，他的實驗室里，成千上萬受了“馴化”的細菌正在利用污水進行發(fā)電。
細菌經過“馴化”，既能清潔廢水，又能發(fā)電
走進成少安的實驗室，幾十個比火柴盒大一些的透明“盒子”擺放著，這就是細菌電池的“原型”。仔細看，盒子上方有兩個小孔，一個孔注入污水，一個孔則排出被細菌“消化”過后變清的水。盒子的兩側是兩塊圓形的材料，一個是陰極，一個是陽極。細菌在陽極表面生長，靠消耗廢水中的有機物新陳代謝，產生的電子則傳遞到電極上。在上面加一個載荷，就形成了電流。
“我們從每平方米電極材料產生零點幾毫瓦，到幾十毫瓦電，再提高到幾千毫瓦，已經提高到5個數量級。”成少安說，“細菌經過‘馴化’，就能持續(xù)地消耗廢水中的有機物，既清潔了廢水，又能有發(fā)電效果。而且對環(huán)境來說是‘零負擔’。”
細菌發(fā)電研究曾是“孤獨”的研究。從上世紀90年代之后，科學界對細菌產電的關注逐漸升溫。美國賓州州立大學的教授布魯斯·洛根提出，如果細菌讓廢水發(fā)電能實現，那么既處理了廢水，又產出了電能，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驗。當時是課題組成員之一的成少安負責實驗裝置的搭建和電極材料的研發(fā)。“在最初的可行性驗證階段，電量只有幾毫瓦，但我看到渾濁的廢水慢慢變得清澈，說明細菌在工作啦！”成少安說，那是細菌第一次帶給他“感動與信心”。
期待走出實驗室，走向實際應用
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細菌燃料電池的發(fā)電機理做進一步研究，同時也在進行大體量單體細菌電池的研發(fā)，努力讓這項技術早日走向實際應用。
細菌燃料電池的難點之一，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)就是一個攻關方向。成少安設計的實驗裝置和材料，由于十分巧妙，被全世界很多實驗室沿用。
“細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菌分成厭氧、好氧兩個“房間”，但“墻壁”會令電池內部的電阻增大，影響發(fā)電效率。拆掉“墻壁”會怎樣呢？課題組發(fā)現，當細菌進入反應器一段時間之后，無需人為干預，就會自動“站隊”，形成兩個區(qū)域，好氧的細菌緊貼在空氣陰極一側，而厭氧的細菌則舒舒服服地附著在另一頭的碳材料陽極上工作。“這樣，我們的反應結構就可以簡化不少！”
成少安說，他通過計算得出，一個10萬人小城市，生活產生的污水用來發(fā)電的話，可以供給1000戶人家的用電量。
“我們國家產生的廢水量一天是54億噸，用實驗室里這樣迷你的裝置肯定不行。還要做擴大化研究，就是把它變成立方級的，甚至幾十立方、幾百立方單體，這樣才能在現實中應用。”成少安說，要讓這項技術走出實驗室，還需要科學家們的共同努力。
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