循環(huán)式微生物燃料電池產(chǎn)電性能及其微生物系統(tǒng)發(fā)育研究.pdf

1、新能源和可持續(xù)能源的研究和開(kāi)發(fā)成為當(dāng)今世界解決環(huán)境污染和能源危機(jī)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)作為一種新型清潔能源,具有能量轉(zhuǎn)化效率高、安全無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),受到各國(guó)的廣泛關(guān)注。但是目前研究的大部分MFC都采用非生物陰極,利用質(zhì)子交換膜隔開(kāi)MFC的陰極和陽(yáng)極兩個(gè)極室。其成本高、穩(wěn)定性差、容易造成催化劑污染等問(wèn)題限制了其發(fā)展,不利于電池的放大。
　　筆者通過(guò)獲得國(guó)家留學(xué)基金委

2、員會(huì)“國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生”留學(xué)項(xiàng)目的資助和校際合作在美國(guó)University of California,Ivine大學(xué)Sunny C.Jiang教授實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展微生物燃料電池的研究。本文以降低微生物燃料電池成本,結(jié)合廢水處理過(guò)程,推動(dòng)微生物燃料電池技術(shù)將來(lái)放大應(yīng)用的角度出發(fā),設(shè)計(jì)并構(gòu)建循環(huán)式微生物燃料電池(Circulating Microbial Fuel Cell,CMFC),并對(duì)其產(chǎn)電性能,微生物群落系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)程,電子傳

3、導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行了深入研究。本文主要結(jié)果如下:
　　設(shè)計(jì)構(gòu)建了全生物雙極室結(jié)構(gòu)的循環(huán)式微生物燃料電池(CMFC),采用可反復(fù)循環(huán)利用的多孔過(guò)濾分離器替代傳統(tǒng)MFC采用的質(zhì)子交換膜。由于CMFC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)促進(jìn)了質(zhì)子從陽(yáng)極向陰極的傳遞,避免陽(yáng)極和陰極液的pH分化問(wèn)題,有利于產(chǎn)電性能的提高。在CMFC采用直徑4.5cm的分離器,進(jìn)料速度1L/day進(jìn)行啟動(dòng)運(yùn)行保證了陽(yáng)極的厭氧環(huán)境。連續(xù)進(jìn)料啟動(dòng)模式有利于產(chǎn)電微生物的生長(zhǎng)和質(zhì)子的傳輸,CMFC在

4、較短的適應(yīng)期后,電壓不斷的增加至200mV,連續(xù)運(yùn)行7天后電壓升至500mV,之后一直保持在500~610mV之間。CMFC采用12mM乙酸為底物在進(jìn)料速度1L/d的連續(xù)運(yùn)行條件下,能獲得了58.1％最高庫(kù)侖效率(CE)和30.1mW/m2功率密度最大值。
　　分別對(duì)陽(yáng)極種泥、系統(tǒng)初步運(yùn)行和穩(wěn)定運(yùn)行期的微生物樣品(A1-A3)進(jìn)行了細(xì)菌及古生菌微生物生態(tài)學(xué)分析。A1-A3樣品的細(xì)菌群落分析表明,陽(yáng)極不同時(shí)期的細(xì)菌群落在門、綱、目、

5、屬水平上均具有較高的多態(tài)性。生長(zhǎng)環(huán)境的改變及電極趨化作用促使了陽(yáng)極物種在不同運(yùn)行期的明顯變化,A1樣品中主要物種為厚壁菌門(Firmicutes)、變形菌門(Proteobacteria)和熱袍菌門(Thermotogae)。在A2-A3樣品中主要物種為厚壁菌門、擬桿菌門(Bacteroidetes)和變形菌門。部分物種生長(zhǎng)受到明顯抑制,同時(shí)一些新的物種也得以發(fā)展,適應(yīng)生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)菌得到了進(jìn)一步富集。A1-A3樣品的古生菌群落分析表明,古

6、生菌物種總量大,豐度小。古生菌的生長(zhǎng)在CMFC運(yùn)行操作期受到抑制,總體數(shù)量明顯下降。同時(shí)優(yōu)勢(shì)物種的所占比重減小,物種多樣性和均勻度增強(qiáng)。主要物種由嗜熱甲烷鬃毛菌(Methanosaeta thermophila)向甲烷八疊球菌(Methanosarcina vacuolata)和甲烷微菌(Methanoregula formicicum)轉(zhuǎn)變。在陽(yáng)極菌群中,對(duì)CMFC電能輸出起主要作用的菌種有三大類:擬桿菌(Bacteroides sp

7、p.)、芽孢桿菌(Bacillus spp.)和梭菌(Clostridium spp.)。
　　對(duì)陰極系統(tǒng)接種活性污泥、系統(tǒng)初步運(yùn)行和穩(wěn)定運(yùn)行期的微生物樣品(C1-C3)進(jìn)行了微生物生態(tài)學(xué)分析。C1-C3樣品的細(xì)菌群落分析表明,陰極細(xì)菌群落均具有較高的多態(tài)性,細(xì)菌群落的豐度、多樣性和均一性指數(shù)值隨運(yùn)行時(shí)期呈先下降后上升的趨勢(shì)。好氧細(xì)菌物種豐富,主要物種為變形菌門和擬桿菌門?？傮w來(lái)看,物種豐富程度經(jīng)歷了從減弱到重新增強(qiáng),分布程度從集

8、中到恢復(fù)均勻的發(fā)育進(jìn)程。CMFC產(chǎn)電過(guò)程中參與陰極生物催化過(guò)程的主要優(yōu)勢(shì)菌種有四大類:歸屬于變形菌門的Dokdonella spp.和Rhodanobacter spp.兩種菌種在啟動(dòng)期和穩(wěn)定期都具有優(yōu)勢(shì)作用;在穩(wěn)定期突顯優(yōu)勢(shì)作用的噬細(xì)胞菌(Cytophaga spp.)和假單胞菌(Pseudomonas spp.)。
　　陽(yáng)極和陰極生物膜表面特征及活性觀察表明:陰極和陽(yáng)極中生物膜的表層都有大量處于良好成熟期的活性生物膜覆蓋。電子