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用于制氢和城市污水处理的微生物电解槽：沙特阿拉伯的案例研究

M.Z. Khan ^a，A.S. Nizami ^b，M. Rehan ^b，O.K.M. Ouda ^c，S. Sultana ^a，I.M. Ismail ^b，K. Shahzad ^b

^a阿利加尔穆斯林大学化学系环境研究实验室，阿格里尔，北方邦202 002，印度

^b沙特阿拉伯吉达阿卜杜勒阿齐兹国王大学环境研究卓越中心（CEES）

^c沙特阿拉伯Al-Khobar穆罕默德本法赫德亲王大学土木工程系

强调

沙特阿拉伯是世界第三大人均用水国。

KSA产生1.17（生活），0.38（工业）亿立方米/年的废水。

612,767兆瓦的电力可以在2025年，2035年从MEC废水中产生。 2025年和2035年的净电力508,637兆瓦电力可以添加到国家电网。

到2035年，MEC技术可以从垃圾目标中获得KSA 3G W电力的25.6％。

文章信息

文章历史：

2016年1月14日收到

以2016年10月28日修订版形式收到

2016年11月3日接受

2016年11月10日在线提供

缩写：

BES，生物电化学系统; BTUs，英国热量单位; CH₄，甲烷; COD，化学需氧量; CO₂，二氧化碳; GW，千瓦瓦; H₂，氢气; KACARE，阿卜杜拉国王原子能和可再生能源城; KSA，沙特阿拉伯王国; LCA，生命周期评估; MEC，微生物电解池; MFC，微生物燃料电池; MW，兆瓦; NOx，氧化氮; O₂，氧气; Pt，铂; VFA，挥发性脂肪酸; WTE，废物转化为能源。

回复作者：

电子邮件地址：nizami_pk@yahoo.com，aaslam@kau.edu.sa（A.S. Nizami）。

关键词：

微生物电解池（MEC）

氢（H ₂）能量

城市废水垃圾焚烧发电（WTE）废水处理计划

摘要:

本文综述了微生物电解池（MEC）作为氢气（H₂）生产和城市污水处理方法的平均状态。根据MEC概念开发了沙特阿拉伯王国（KSA）的案例研究。沙特阿拉伯是世界第三大人均用水国，没有湖泊和河流。每年产生的生活和工业废水分别约为117和3.8亿立方米。沙特政府正在寻求可持续的废水处理和废物转化能源（WTE）生产解决方案，以弥补不断增长的水和能源需求与供应之间的差距。但是，没有WTE设施来将废水转化为能源。此外，废水的可能性不作为能量回收基质进行检查。这项研究首次估计，如果采用MEC技术，KSA废水在2015年的总发电量可达434 MWe。类似地，通过使用MEC技术，可以在2025年和2035年从生活和工业废水中生产出612和767 MWe的总电力。在满足MEC污水处理厂的能源需求之后，可以在2025年和2035年分别增加508和637 MWe的剩余电量到国家电网。 2025年和2035年，MEC将分别贡献20.5％和25.6％份额的KSA政府的3G W WTE目标。在MEC中，诸如欧姆和浓度损失，饱和动力学和降低H₂生产的竞争反应等许多挑战与他们的潜在解决方案一起讨论，包括MEC设计的改进以及使用适当的电解质，抗生素和空气或氧气。

1.介绍

今天，世界正面临能源危机和缺水的挑战。到2005年，全球能源消耗量达460万BTU（英国热量单位），预计到2030年将增加57％[1]。目前，化石燃料是世界上能源利用率最高（高达90％）的能源，不仅耗尽了自然资源，而且破坏了环境并改变了我们的气候[2]。自过去二十年以来，由于技术进步，工艺成本降低和政府补贴，可再生能源生产受到了高度重视[3]。像京都议定书和议程21这样的公约也迫使基于化石燃料的经济体向可再生能源经济体发展[4]。

由于城市化和人口不断增长，尤其是在发展中国家，废水产生量在世界范围内显着增加[3]。目前，发展中国家约90％的生产废水未经处理排入河流，海洋和湖泊[5]。每年有600-800万人死于水传播疾病;其中约5岁以下的儿童约有180万[6]。此外，废水中的甲烷（CH₄）和氮氧化物（NOx）排放对气候有负面影响，到2020年其水平估计分别增加50％和25％[5,6]。传统的废水处理工艺是高耗能的;通常消耗大部分发达国家总发电量的3％[7]。因此，用新技术改善城市污水处理服务是实现污水处理部门可持续发展的迫切需要。

废水中产生的氢气（H₂）是处理废水和生产可再生能源的有前途的方法。 H₂是一种无毒且高度易燃的高热值气体（142 kJ / g）（表1）。在全球范围内，每年生产约5000亿立方米的氢气，其中天然气（40％），重油和石脑油（30％），煤炭（18％），电解（4％）的增长率为10％[10]和生物质量（1％）[11]。生产的H₂用于氨生产（49％），石油精炼（37％），甲醇生产（8％）和各种次要应用（6％）[12]。有许多技术可用于H₂生产，如水分解，煤气化和天然气重整，但由于电力成本过高或二氧化碳（CO₂）排放过多，大多数技术不适合大规模生产[13]。然而，近年来，由于降低了催化成本和工艺能量需求，使用可再生资源的直接和间接光解，光和暗发酵以及微生物电解池（MEC）等生物过程产生的H₂产生了显著的关注[11 ]。然而，这些工艺的效率随底物类型，工艺机理，最终产品和能量输入而变化[14]。

表 1

H₂的物理和技术特性 [8,9].

MEC是一种新型的H₂生产技术，在电流和氧气（O₂）的存在下，通过微生物的催化作用，将生活和工业废水用作底物。与发酵过程和水电解相比，MEC生产率（80-100％）显着较高（表2）。此外，MECs所需的阈值电位远小于传统水电解所需的阈值电位（1.23 V）[23]。由于太阳能效率低和表面积大的要求，藻类和光合细菌对有机底物光合作用转化为H₂不能产生比MEC更高的能量，在0.5 kW h / m³-H₂的速率下为90％[24-26 ]。

表2

H₂生产所用不同技术的能量参数比较。

KSA和海湾国家政府正在寻求可持续的废水服务解决方案，包括其处理和能源回收以及使用处理后的废水作为弥合不断增长的水和能源需求与供应缺口的可行来源[2,4]。在海湾地区，既没有这样的废物能源（WTE）设施来将废水转化为能源，也没有将废水的潜力作为能源回收子系统进行检查[27-32]。然而，为了建立这样一个示范工厂，评估研究是非常关键的，所有利益相关者，包括政府，公共，政策和决策者以及商业投资者都会给予强有力的承诺。在这方面，目前的研究将通过展示基于当地废水成分和产生速率的合适WTE技术的可能性和潜力来奠定基础。本文考察了MEC技术在KSA城市污水处理和可再生能源生产中的潜力。该研究提供了MEC技术发展现状的广泛文献综述，克服的挑战，整体过程优化的潜在解决方案，以及MEC技术作为案例研究评估KSA潜在发电量。

2. 微生物电解池（MEC）

MEC正在迅速发展的生物电化学系统（BES），其中一个电化学过程发生在生物催化剂的影响下，通过利用各种底物来产生能量[36]。 MECs是利用细菌分解有机底物的微型燃料电池（MFCs）的先进版本[37]。 它们与我们具有阳极和阴极的现代电池几乎相似[36]。 单室和双室MEC可以从各种底物中产生H₂（图1）。 然而，单室无膜MECs更经济实现高H₂生产率[38]。 Tartakovsky等人报道，H₂产量增加5倍。

图1

（a）用于H₂生成的单室和双室MEC的示意图。

1. 在连续流动的无膜MEC中。 除了单H型双室MEC以外，立方体型双室和单室批MEC也用于H ₂生产[40]。 此外，Rozendal等人研究了连续双腔圆盘形MECs，带气体扩散电极的圆盘形膜电极组件MEC和带流动通道的矩形MEC。[41] 生产H₂所涉及的化学反应表明，自由能变化是相当积极的，因此需要大量的外部能量来考虑H₂作为产品（方框1）。

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