生物陰極MFC產(chǎn)電特性及利用高濃度有機(jī)底物產(chǎn)電研究.pdf

1、微生物燃料電池技術(shù)(MFCs)兼顧了污染治理和能量回收,是一種能夠同時滿足減緩能源短缺和環(huán)境污染兩大危機(jī)需求的關(guān)鍵性技術(shù)。生物陰極是近年發(fā)現(xiàn)的一種新型的陰極類型,具有降低MFC成本、提高電池性能、合成有用物質(zhì)或去除有害物質(zhì)等多方面優(yōu)點,具有較好的發(fā)展前景。然而目前對于生物陰極MFC的研究尚處于起步階段,一些關(guān)鍵性問題亟待解決。因此本文針對生物陰極MFC目前研究中存在的問題,基于環(huán)境工程理論,結(jié)合電化學(xué)、分子生態(tài)學(xué)的手段和方法對其進(jìn)行了深

2、入研究。
　　試驗表明,與分別單獨使用石墨粒和石墨刷作為陰極材料的MFC反應(yīng)器R2和R3相比,由石墨刷和石墨粒共同組成的耦合生物陰極MFC反應(yīng)器R1產(chǎn)電性能更優(yōu)。與石墨刷陰極MFCR3相比,耦合陰極MFCR1能夠?qū)訒r間縮短55.8％,庫侖效率能提高21.0±2.7%,最大功率密度升高38.2±12.6%。盡管反應(yīng)器R2的啟動時間與R1相近,但其庫侖效率和最大功率要比R1反應(yīng)器分別低21.4±1.7%和38.2±15.6%。電鏡

3、觀察和熒光原位雜交(FISH)實驗表明,耦合陰極(R1)、石墨粒陰極(R2)表面的微生物數(shù)量要明顯多于石墨刷陰極。分子系統(tǒng)發(fā)育分析表明,生物陰極表面的優(yōu)勢細(xì)菌種群主要隸屬于Achromobacter、Nitrobacter、Acinetobacter和Bacteroidetes等屬。溶解氧梯度實驗表明,生物陰極MFC陰極液最佳溶解氧濃度(DO)介于3～4mg/L之間,在此濃度下,MFC的庫侖效率和功率密度最高。
　　為了研究陰極類

4、型對MFC的長期穩(wěn)定性和陽極微生物群落結(jié)構(gòu)影響,分別構(gòu)建K3Fe(CN)6陰極MFC、空氣陰極MFC和生物陰極MFC等三種典型的不同陰極類型MFC,并進(jìn)行了400d的長期運行比較試驗。結(jié)果顯示,運行400d后,由于開路電壓的下降和內(nèi)阻的持續(xù)增長,K3Fe(CN)6陰極反應(yīng)器和空氣陰極反應(yīng)器的最大功率分別降低了44%和37%。相反的是,與第10d相比,生物陰極反應(yīng)器的庫侖效率和最大功率在運行400天后分別增加了68.2%和116.8%,原

5、因是,在運行過程中生物陰極MFC的開路電壓增長和內(nèi)阻下降。FISH實驗證實,生物陰極MFC陽極表面的細(xì)菌密度要明顯高于空氣陰極和K3Fe(CN)6陰極MFC。系統(tǒng)發(fā)育分析顯示,盡管三個反應(yīng)器使用的接種物相同,但陽極微生物群落結(jié)構(gòu)受陰極類型和運行時間二者影響明顯。
　　本研究設(shè)計了一種三室生物陰極MFC從牛糞中回收電能,結(jié)果表明,當(dāng)TS=6%時,MFC的開路電壓可高達(dá)1.04V,最大功率為15.1W/m3,內(nèi)阻僅31.6±2.7Ω。

6、當(dāng)陽極液總固體濃度為2%、4%、6%、8%和10%時,在100Ω外接電阻下功率密度分別為7.85±1.0、7.84±1.20、8.15±0.20、7.60±0.97和5.63±0.97Wm-3。利用454高通量測序技術(shù)分析了生物膜樣品,結(jié)果表明Firmicutes、γ-,β-,α-和δ-Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria是陽極的主要菌群,而δ-,β-和α-Proteobacteria、

7、Bacteroidetes和Actinobacteria是陰極生物膜中的主要種群。長期運行實驗表明,三室生物陰極MFC可以利用牛糞長期穩(wěn)定產(chǎn)電,在171d的運行期內(nèi),有80%的運行時間產(chǎn)電功率密度≥6W/m3?？扇苄杂袡C(jī)物樹脂分級分析結(jié)果顯示,在長期運行中,牛糞可溶性有機(jī)物種類和含量均在在發(fā)生著不斷變化,微生物降解活動得到加強(qiáng)。
　　本實驗使用生物陰極MFC處理污水廠剩余污泥,獲得較好的效果。電池成功啟動后,最高功率密度可達(dá)13.

8、2±1.7W/m3,高于以往文獻(xiàn)報道的最高功率密度的55%以上。電池運行15d,TCOD去除率和庫侖效率分別可達(dá)40.8±9.0%和19.4±4.3%。TCOD去除率隨時間的延長而提高,但庫侖效率隨時間變化較小。污泥中的有機(jī)物在水解過程中,產(chǎn)生的揮發(fā)酸主要以乙酸為主,酸性物質(zhì)會導(dǎo)致MFC陽極電解液pH值降低,增高內(nèi)阻,降低功率輸出。Bar coded 454高通量測序技術(shù)分析陽極生物膜細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)顯示,以污泥為基質(zhì)的MFC陽極表面,Pr