微生物電力公司—從廢水生電 Microbial Fuel Cell- from Wastewater to Energy

微生物電力公司—從廢水生電 Microbial Fuel Cell- from Wastewater to Energy
國立臺灣大學環境工程學研究所 蔡成章

隨著近年來工業發展，能源的大量使用，石化燃料在未來將逐漸匱乏，並且正因為大量地使用石化燃料，使得近年來全球氣候發生重大的改變，根據政府間氣候變遷專門委員會 （Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC ）2008年的報告指出，隨著全球氣候變遷的影響，極端氣候地區的範圍將會擴大並且更加嚴重，增加部分地區水資源匱乏的壓力，故減少石化能源的使用，並找尋替代的能源成了現今努力追尋的目標。近年來，微生物燃料電池技術的發展與應用受到關注，因其同時具備兩項特點：能夠進行廢水的處理，同時還能夠產生電力。

微生物燃料電池的原理為，陽極（anode）利用微生物降解（或氧化）有機物質，而其氧化所產生的電子傳遞到電極板上之後，透過外部電路傳遞電子到陰極（cathode）中的最終電子接受者（terminal electron acceptor）行還原反應。常見的最終電子接受者為氧氣，並與陽極中代謝的有機物所產生的質子進行反應而生成水分子。因氧氣生成水的反應所需的時間非常長，故通常會在陰極的電極板上面加上催化物質來加速其反應。

基於以上原理，當廢水進入微生物燃料電池中，能夠透過微生物分解水中的汙染物質（如：大分子有機物、含氨氮物質、磷酸鹽……等等），來達到降低水中化學需氧量（chemical oxygen demand, COD）的效果。值得注意的是，經過生物燃料電池的廢水水質，其水質可以被改善，以減少對環境造成危害及汙染，而且微生物代謝後所產生的電子能夠拿來作為發電使用，同時具備了廢水處理與再生能源的特性。

微生物燃料電池的應用層面很廣泛，可於廢水處理廠應用，將生活廢水、畜牧廢水、食品加工廠之廢水等，經過初級沉池將大顆粒的物質沉降下來後，流入微生物燃料電池當中，利用微生物降低水中的COD，並且其可以取代當今國內汙水廠使用二級處理的活性污泥法（activated sludge process），不僅能夠省去曝氣所需要的能量，還能夠產生少許的電力來供應僅需少量能源的操作程序使用，達到開源並節流的效果；還能將微生物燃料電池應用於生物產氫。

目前大部份的廢水處理方法，皆為使用能源用於水處理（water for energy）的概念，然而隨著能源的大量使用，使得全球氣候變遷，讓人們開始意識到節能，故未來的發展開始趨向與利用廢水的處理（waste water for energy）來產生能源，達到廢水產電的概念。

圖一、微生物燃料電池運作示意圖（蔡成章繪製）

參考文獻：

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• [2]Liu, H., Cheng, S. and Logan, B.E. (2005a), “Power generation in fed-batch microbial fuel cells as a function of ionic strength, temperature, and reactor configuration.”  Environ. Sci. Technol. 39(14), 5488-5493.
• [3]Logan, B.E (2005), “Materials and configuration for scalable microbial fuel cells.” Provisional patent application, PST 20918, PSU 2006-3173, Penn State University.