循環(huán)式微生物燃料電池產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)能源的研究和開發(fā)成為當今世界解決環(huán)境污染和能源危機、實現可持續(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,具有能量轉化效率高、安全無污染等優(yōu)點,受到各國的廣泛關注。但是目前研究的大部分MFC都采用非生物陰極,利用質子交換膜隔開MFC的陰極和陽極兩個極室。其成本高、穩(wěn)定性差、容易造成催化劑污染等問題限制了其發(fā)展,不利于電池的放大。
　　筆者通過獲得國家留學基金委

2、員會“國家建設高水平大學公派研究生”留學項目的資助和校際合作在美國University of California,Ivine大學Sunny C.Jiang教授實驗室開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,結合廢水處理過程,推動微生物燃料電池技術將來放大應用的角度出發(fā),設計并構建循環(huán)式微生物燃料電池(Circulating Microbial Fuel Cell,CMFC),并對其產電性能,微生物群落系統(tǒng)發(fā)育進程,電子傳

3、導機制進行了深入研究。本文主要結果如下:
　　設計構建了全生物雙極室結構的循環(huán)式微生物燃料電池(CMFC),采用可反復循環(huán)利用的多孔過濾分離器替代傳統(tǒng)MFC采用的質子交換膜。由于CMFC的結構特點促進了質子從陽極向陰極的傳遞,避免陽極和陰極液的pH分化問題,有利于產電性能的提高。在CMFC采用直徑4.5cm的分離器,進料速度1L/day進行啟動運行保證了陽極的厭氧環(huán)境。連續(xù)進料啟動模式有利于產電微生物的生長和質子的傳輸,CMFC在

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

5、屬水平上均具有較高的多態(tài)性。生長環(huán)境的改變及電極趨化作用促使了陽極物種在不同運行期的明顯變化,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。部分物種生長受到明顯抑制,同時一些新的物種也得以發(fā)展,適應生長的優(yōu)勢菌得到了進一步富集。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。古生菌的生長在CMFC運行操作期受到抑制,總體數量明顯下降。同時優(yōu)勢物種的所占比重減小,物種多樣性和均勻度增強。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)轉變。在陽極菌群中,對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.)。
　　對陰極系統(tǒng)接種活性污泥、系統(tǒng)初步運行和穩(wěn)定運行期的微生物樣品(C1-C3)進行了微生物生態(tài)學分析。C1-C3樣品的細菌群落分析表明,陰極細菌群落均具有較高的多態(tài)性,細菌群落的豐度、多樣性和均一性指數值隨運行時期呈先下降后上升的趨勢。好氧細菌物種豐富,主要物種為變形菌門和擬桿菌門?？傮w來看,物種豐富程度經歷了從減弱到重新增強,分布程度從集

8、中到恢復均勻的發(fā)育進程。CMFC產電過程中參與陰極生物催化過程的主要優(yōu)勢菌種有四大類:歸屬于變形菌門的Dokdonella spp.和Rhodanobacter spp.兩種菌種在啟動期和穩(wěn)定期都具有優(yōu)勢作用;在穩(wěn)定期突顯優(yōu)勢作用的噬細胞菌(Cytophaga spp.)和假單胞菌(Pseudomonas spp.)。
　　陽極和陰極生物膜表面特征及活性觀察表明:陰極和陽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