固體懸浮顆粒對(duì)微生物燃料電池啟動(dòng)及性能特性的影響.pdf

1、微生物燃料電池（Microbial fuel cell,簡(jiǎn)稱MFC）是一種利用附著在陽極表面的產(chǎn)電細(xì)菌將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的生物電化學(xué)裝置。在MFC運(yùn)行時(shí)，陽極室中的有機(jī)底物（如乙酸鈉等）在附著于陽極電極表面的微生物作用下發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生CO2、電子和質(zhì)子，電子和質(zhì)子分別通過外電路和質(zhì)子交換膜傳遞到陰極，并與陰極電子受體（如鐵氰酸鉀等）發(fā)生還原反應(yīng)，從而完成產(chǎn)電過程。MFC因具有底物來源廣泛、反應(yīng)條件溫和的優(yōu)點(diǎn)，且可在處理污水的

2、同時(shí)獲得電能，而受到了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。
　　在MFC中，陽極底物為微生物的生長(zhǎng)代謝提供碳源和能源，研究表明底物不僅影響著陽極生物膜內(nèi)細(xì)菌群體的整體構(gòu)成，還對(duì)電池性能有著重要的影響。MFC常用乙酸鹽、葡萄糖作為底物，近年來，隨著MFC的發(fā)展，研究者開始采用人工或?qū)嶋H的生產(chǎn)、生活污水作為底物，人工污水中有機(jī)物濃度、pH值及電導(dǎo)率均可人為控制。然而實(shí)際污水不僅化學(xué)組分復(fù)雜，而且往往還含有一定的惰性懸浮顆粒。污水中固體惰性懸浮顆

3、粒的存在也可能會(huì)影響產(chǎn)電細(xì)菌的吸附以及生物膜的結(jié)構(gòu)，最終對(duì)MFC的性能產(chǎn)生重要影響?？紤]到目前采用實(shí)際污水對(duì)MFC進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究中均未考慮懸浮顆粒對(duì)MFC性能的影響，本文針對(duì)實(shí)際污水中惰性懸浮顆粒會(huì)對(duì)MFC性能產(chǎn)生的影響，采用含不同濃度SiO2顆粒的培養(yǎng)基模擬含有不同惰性懸浮顆粒濃度的實(shí)際污水，對(duì)惰性顆粒對(duì)MFC性能的影響開展研究。在實(shí)驗(yàn)中，本文采用含不同SiO2顆粒濃度的培養(yǎng)基啟動(dòng)和培養(yǎng)MFC，并研究不同SiO2顆粒濃度對(duì)MFC啟動(dòng)及

4、性能特性的影響。主要研究結(jié)果如下：
　　1）MFC啟動(dòng)和培養(yǎng)階段均采用含SiO2顆粒的培養(yǎng)基：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MFC啟動(dòng)所需時(shí)間不隨SiO2顆粒濃度變化而變化，而電池輸出電壓隨SiO2顆粒濃度增大而降低。隨著SiO2顆粒濃度增大，MFC生物膜活性生物量減少、導(dǎo)致EPS含量降低、生物膜電化學(xué)活性也隨之降低。MFC陽極內(nèi)阻隨SiO2顆粒濃度增大而增大也會(huì)導(dǎo)致電池產(chǎn)電性能下降。當(dāng)SiO2顆粒濃度為0、200、500、1000和2000mg

5、/L時(shí)，電池最大功率密度分別為1720±5、1641±4、1294±3、863±2、776±2mW/m2。
　　2）MFC啟動(dòng)階段采用不含SiO2顆粒的培養(yǎng)基，培養(yǎng)階段則采用含不同濃度SiO2顆粒的培養(yǎng)基：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)MFC在無SiO2顆粒條件下啟動(dòng)成功后更換為含SiO2顆粒的培養(yǎng)基時(shí)，若SiO2顆粒濃度小于500mg/L，MFC性能不會(huì)發(fā)生衰減現(xiàn)象。而當(dāng)SiO2顆粒大于500mg/L，SiO2顆粒對(duì)電池性能影響較大。此時(shí)，M

6、FC生物膜活性生物量隨著SiO2顆粒濃度的增大而減少、導(dǎo)致EPS含量和生物膜電化學(xué)活性的降低。隨著SiO2顆粒濃度增大，由于生物膜活性生物量降低的同時(shí)，生物膜電化學(xué)活性也發(fā)生降低，引起陽極內(nèi)阻增大，最終導(dǎo)致電池性能下降。當(dāng)SiO2顆粒濃度為0、200、500、1000和2000mg/L時(shí)，電池最大功率密度分別為1720±5、1695±5、1649±5、1259±3、1124±2mW/m2。上述結(jié)果表明，在電池啟動(dòng)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制底物中SiO

7、2顆粒濃度，而在電池運(yùn)行時(shí)，僅需將SiO2顆粒含量控制于小于500mg/L以下即可。
　　3）MFC啟動(dòng)階段采用含不同SiO2顆粒濃度的培養(yǎng)基，培養(yǎng)階段則采用不含SiO2顆粒的培養(yǎng)基：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，生物膜活性生物量、EPS含量和電化學(xué)活性均隨SiO2顆粒濃度增大而降低，從而引起陽極內(nèi)阻增大，最終導(dǎo)致MFC產(chǎn)電以及降解有機(jī)物的能力均降低，當(dāng)SiO2顆粒濃度為0、200、500、1000和2000mg/L時(shí)，電池最大功率密度分別為17

8、20±5、1608±4、1319±3、985±2、894±2mW/m2。上述結(jié)果表明，在采用相同SiO2顆粒濃度的條件下，電池在含SiO2顆粒條件下啟動(dòng)后，若操作階段采用不含SiO2顆粒的培養(yǎng)基，MFC性能亦能獲得一定程度的提升。然而，由于部分SiO2顆粒無法徹底排除出生物膜，因此上述操作條件并不能完全使電池性能恢復(fù)至無SiO2顆粒培養(yǎng)基啟動(dòng)時(shí)電池的性能水平。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說明了，在實(shí)際MFC應(yīng)用中，電池運(yùn)行時(shí)必須采用無SiO2顆粒的底