城市黑臭河涌底泥-微生物燃料电池产电性能及对底泥的修复

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是一种将化学能转化为电能的技术。它可以利用包括河涌与海底的沉积物在内的众多基质来产生电能。在利用微生物燃料电池对沉积物进行修复时,通常采用将阳极埋在水底沉积物中,阴极悬于上覆水中的方式来构建电池。由于上覆水的存在,底泥中的污染物质不仅会被电池修复,也会向上覆水释放,影响底泥和上覆水的整体修复情况。以广州某黑臭河涌底泥为阳极微生物接种源及阳极基质,50 m M·L-1铁氰化钾缓冲溶液为阴极室溶液构建了双室有膜型微生物燃料电池,排除上覆水对微生物燃料电池修复底泥的影响,研究在不同的外接电阻下,MFC的产电性能以及MFC对底泥的修复效果。结果表明:以黑臭河涌底泥为阳极底物能够保持MFC较长时间产电运行(650 h)。构建的电池内阻分别为:1 341.6、1 339.2、1 330.2、1 386.7和1 311.7Ω。外阻能够对MFC的产电和功率密度输出产生影响:在外接电阻为1 500Ω时,MFC获得的稳定输出电压最高为0.753 V,最大输出功率为4.94 m W·m-2。在运行中,微生物燃料电池对底泥进行了修复:在外接电阻为1 500Ω时,有机质去除效果最佳,去除率为7.834%;全磷在外阻100Ω达到29.98%的最高去除率;铵态氮在外阻100Ω处达到41.64%的最高去除率;在硝态氮最高去除率则在外接1000Ω时,为71.52%。这说明了外阻能够影响电池对底泥的修复效果。     

超声预处理对剩余污泥微生物燃料电池性能的影响

为了实现剩余污泥资源化,本实验采用了超声波破壁的预处理方式,构建了以剩余污泥破壁处理混合液为阳极液和以KMn O4溶液为阴极液的序批式双室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFC).将MFC的输出功率密度和COD去除速率作为电池性能的考察指标,研究了超声预处理和投加污泥量对MFC性能的影响.结果表明,随着对投加污泥预处理比(超声预处理污泥量占投加污泥量的比例)和投加污泥浓度的上升,MFC的输出功率密度和COD去除速率也随之上升,在100%污泥预处理比下输出功率密度峰值为296 m W·m-2(Rext=1000Ω);平均COD去除速率为90 mg·L-1·d-1.在投加污泥浓度为8000 mg·L-1时,输出功率密度峰值为476 m W·m-2(Rext=1000Ω);平均COD去除速率为100 mg·L-1·d-1.由实验结果分析,采用超声波破壁预处理高浓度的剩余污泥作为燃料搭建MFC,可提高微生物燃料电池的产电性能和COD去除速率.     

石墨烯掺杂生物阳极微生物燃料电池的产电性能

本文通过真空过滤含有石墨烯的产电菌悬液直接在不锈钢网(SSM)表面形成石墨烯掺杂生物阳极,并运行单室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)考察其对体系运行性能的影响.实验结果表明,向生物膜中掺杂石墨烯可有效缩短MFC的启动时间,降低阳极的内阻,提高阳极生物膜内的电子传递效率.与纯生物膜阳极体系相比,随着掺杂量的增加,石墨烯掺杂生物阳极MFC体系的阳极电荷转移电阻(Rct)依次降低,由29.3Ω降低到18.1Ω,体系的库伦效率(CE)由50.03%增大到73.97%,体系的最大功率密度(Pmax)由纯生物膜阳极体系的118 m W·m~(-2)增大到588 m W·m~(-2).     

群体感应信号分子对Pseudomonas aeruginosa PAO1生物膜结构及产电性能的影响

电活性生物膜(EAB)是微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)的重要组成部分.为揭示群体感应(quorum sensing,QS)信号分子在MFC中对EAB的响应机制,在MFC阳极室接种铜绿假单胞菌,添加两种QS信号分子(N-丁酰基高丝氨酸内酯C4-HSL和喹诺酮PQS),观察其对阳极生物膜形态、结构及MFC产电性能的影响.结果显示:添加终浓度为10μmol/L N-丁酰基高丝氨酸内酯、喹诺酮的MFC的驯化启动期分别比对照组缩短了290.33 h、169.9h,最高输出电压分别提高了18.18%、22.73%,MFC运行后期传质电阻分别减小了9.77Ω、15.15Ω,绿脓素含量分别提高了20.27%、24.32%;扫描电子显微镜(SEM)照片显示添加两种信号分子生物膜的生物量均多于对照组;激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)照片显示添加QS信号分子可以明显增大阳极生物膜的厚度并改善活死细胞比例.本研究表明添加QS信号分子显著促进了产电菌Pseudomonas aeruginosa PAO1在MFC阳极表面的成膜速率,强化了其生物活性,提高了EAB与电极间的电子传递效率及MFC的产电性能.(图9参21)     

直接微生物燃料电池酒精酵母产电及驯化

为提高微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)的输出功率,降低成本,使实际应用成为可能,首次以酒精酵母为产电微生物,在不添加电子传递中间体的条件下,采用开路电压法和极化曲线法对自行设计的电池装置进行性能优化及产电效果研究,同时选取菌种驯化法对酒精酵母的产电适应性进行探讨.结果显示,铁阳极的电化学活性远高于铝阳极和铜阳极,且阳极形状对产电能力有影响;此MFC最大开路电压和输出功率密度分别为1.252V和502.3mW/m2,内阻为777.43Ω;菌种经驯化电流峰值提前,产电适应性增强.实验结果表明,本研究设计的系统性能良好,调整阳极材料和形状可提高电池产电能力,可通过驯化对菌种进行产电稳定性研究.     

尿液微生物燃料电池研究

尿液是市政污水中氮、磷与COD的主要来源,将尿液从污水系统中分离单独处理可以缓解城市污水处理厂有机物、营养素的超负荷难题.以源分离的尿液为底物,研究微生物燃料电池的产电特征及其污染物去除效果,并进一步考察影响系统产电性能的因素.结果显示:在超过6个月的试验过程中,伴随有机物和总氮的减少,系统可保持长期稳定的功率输出.COD和总氮的最高去除率为92.9%和65.6%,系统最大输出功率为388.2 m W/m2,这也是迄今尿液微生物燃料电池所获得的最高功率.阳极碳毡表面菌群分析显示具有电化学活性的Arcobacter和具有发酵功能的Bacteroides为优势菌群.氨氮积累、微生物淤积以及尿液中的物质沉淀等是影响尿液微生物燃料电池性能的主要因素.研究结果表明,尿液微生物燃料电池高效地实现了在污染物去除的同时获得高输出功率,体系中Arcobacter是一种新型的胞外产电菌,其强电化学作用可利用在生物电能的获得过程中.     

微生物燃料电池产电研究及微生物多样性分析

以乙酸钠为阳极底物,碳毡材料为阴阳电极,构建了无介体双室微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC),研究不同阴极受体、外接电阻、乙酸钠浓度和不同接种方式等因素对电池产电性能的影响.根据不同接种方式下微生物燃料电池产电性能差异,利用PCR-DGGE技术对不同接种方式下的微生物多样性进行分析.研究结果表明:在500 mL的阴阳极反应体系中,当接入500 Ω外电阻,阴极电子受体为高锰酸钾,阳极乙酸钠质量浓度为6.46 g/L,只接入附着有大量微生物的电极时,微生物燃料电池产电性能最好,最大电功率密度可达353.57 mW/m2,库伦效率为39.35%;微生物多样性分析显示.δ-变形菌纲、β-变形菌纲和拟杆菌门的菌种更适应微生物燃料电池的运行环境,能在电极上大量富集.提高电池的产电性能.是电极上的优势菌群.图8表1参21     

还原性硫化物微生物燃料电池偶联偶氮染料降解

以处理实际废水中的还原性硫化物以及染料废水中的偶氮染料为目的,构建了一个双室微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC),阳极室接种硫氧化菌,阴极室以甲基橙(MO)作为电子受体,同时进行还原性硫化物生物氧化偶联偶氮染料降解.阳极接入硫氧化菌的MFC在外电阻为1 000Ω,甲基橙溶液浓度为50 mg L-1时,以4 d为一个反应周期,通过采集电池电压(V)、光谱扫描和循环伏安(CV)扫描来考察实验MFC的效率以及扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)来观察阳极生物膜.结果表明,阳极接种MFC的内阻为400Ω,最大电流密度和最大功率密度可分别达到656.25 mA m-2和120.76 mW m-2,而阳极未接种的空白MFC仅能达到259.38 mA m-2和34.81mW m-2.一个周期结束时,还原性硫化物完全被氧化,偶氮染料颜色由红色变为透明.SEM显示阳极碳毡上细菌的形态为杆状.综合以上结果,可说明可以通过MFC将还原性硫化物氧化并将偶氮染料进行降解.     

厌氧颗粒污泥对五氯苯酚脱氯过程中的影响因素

在间歇培养血清瓶中,研究了厌氧颗粒污泥对五氯酚脱氯过程中的影响因素.结果表明,葡萄糖、酵母膏和蛋白胨显著提高了PCP的脱氯速率.添加甲酸、乙酸、乙醇对PCP脱氯速率有一定提高,丙酸和丁酸对脱氯速率没有影响.20%氢气的加入对PCP脱氯速率的影响显著.废水中硝酸盐和硫酸盐等电子受体的存在降低了PCP的脱氯速率.微生物抑制剂氯仿、青霉素降低了PCP脱氯速率,表明厌氧微生物尤其是甲烷菌对还原脱氯有重要影响.PCP最佳还原脱氯温度为38℃,最佳pH为7,低的氧化还原电位(<-200mV)有利于脱氯的进行.图5参13     

混合菌群生物燃料电池的产电机理与特性

利用厌氧污泥为接种源构建双室微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC),研究其电子传递机制,并考察其底物利用谱及阴极电子受体对产电性能的影响.结果表明:该MFC主要通过生物膜机制实现电子从有机物到固体电极的传递过程.该混合菌MFC的底物利用谱范围广泛,单糖、二糖、小分子有机酸等有机物均可作为电子供体产电,其中以蔗糖和乳糖为底物产电效果较好,最大功率密度分别为69.69 mW/m2和60.75 mW/m2;而以乙醇为底物时,COD负荷最高,达123.55 mg L-1d-1.阴极不同电子受体对混合菌群MFC的产电性能也有显著影响,其中以KMnO4为电子受体电池性能最好,最大功率密度达1 396.74 mW/m2.     

Sediment microbial fuel cell with floating biocathode for organic removal and energy recovery

A sediment microbial fuel cell (SMFC) with three dimensional floating biocathode (FBC) was developed for the electricity generation and biodegradation of sediment organic matter in order to avoid negative effect of dissolved oxygen (DO) depletion in aqueous environments on cathode performance and search cost-effective cathode materials. The biocathode was made from graphite granules with microbial attachment to replace platinum (Pt)-coated carbon paper cathode in a laboratory-scale SMFC (3 L in volume) filled with river sediment (organic content 49±4 g·kg^-1 dry weight). After start-up of 10 days, the maximum power density of 1.00W·m^-3 (based on anode volume) was achieved. The biocathode was better than carbon paper cathode catalyzed by Pt. The attached biofilm on cathode enhanced power generation significantly. The FBC enhanced SMFC performance further in the presence aeration. The SMFC was continuously operated for an over 120-day period. Power generation peaked within 24 days, declined gradually and stabilized at a level of 1/6 peak power output. At the end, the sediment organic matter content near the anode was removed by 29% and the total electricity generated was equal to 0.251 g of chemical oxygen demand (COD) removed.     

偏电压对Ti/TiO2光电催化氧化富里酸的影响

采用光电催化反应器对水中天然有机物富里酸(FA)进行降解试验,考察了外加阳极偏电压对光电催化反应器降解富里酸的影响.结果表明,当外加电压为1.2V时,具有最佳的UV254和有机碳TOC去除率,当反应时间为2h时,富里酸的UV254和总有机碳TOC的去除率分别为77.4%和45.4%.另外,在反应初期(前1h内)富里酸光电催化反应动力学常数主要受外加偏电压的影响.     

环境因素对六氯苯厌氧降解活性的影响

在厌氧污泥具备了较好的六氯苯（HCB）降解能力的基础上,采用标准血清瓶实验方法考察了反应温度、初始pH、摇床转速和营养元素等环境因素对厌氧污泥降解HCB活性的影响。实验设计的反应温度为25、30、35和40℃;初始pH为5.0、6.0、7.0和8.0;摇床转速为0和150r·min-1;营养元素有葡萄糖和维生素b12。用HCB浓度随时间的减少来表征微生物对其的降解活性。结果表明,反应温度对HCB的降解速率有很大影响,适宜温度为35℃左右。初始pH对HCB降解活性没有显著影响,但显示出有随初始pH增大而HCB降解活性增加的趋势。与静置条件相比,一定的混合作用有利于提高HCB的降解活性。有葡萄糖存在条件下,维生素b12对HCB的降解活性有明显的促进作用。温度及外加碳源（葡萄糖）是影响HCB厌氧降解活性的重要因素,并推测葡萄糖在HCB降解过程中提供电子供体方面发挥了重要作用。     

不同有机物料对有机磷农药污染土壤酶活性及土壤微生物量的影响

农药污染严重影响了土壤的生态和食品的安全,为了解有机物料对农药污染土壤修复的影响,本文采用室内恒温恒湿培养的方法,研究了在有机磷农药污染的土壤中加入葡萄糖、堆肥、秸秆3种不同的有机物料对土壤微生物及土壤酶活性的影响,结果表明：有机磷农药对土壤微生物生物量碳和土壤的呼吸强度都有一定的影响,具体表现为前期（0～3 d）抑制,中期（3～40 d）为促进作用,后期（40 d以后）恢复稳定。加入有机物料后,显著提高了土壤的微生物生物量碳和土壤的呼吸强度,其中葡萄糖、堆肥、秸秆处理分别在第9、30、40天时的土壤的微生物生物量碳最高,在第9、30、50天时土壤的呼吸强度最高。有机磷农药对土壤过氧化氢酶和土壤脲酶影响表现为先抑制后激活,然后恢复的变化趋势。加入不同有机物料后,堆肥和秸秆对土壤过氧化氢酶和土壤脲酶都有促进作用,显著提高了其活性。堆肥处理的土壤过氧化氢酶、脲酶活性分别在0～20 d,20 d为最高,秸秆处理的土壤过氧化氢酶、脲酶活性都在40～50 d为最高。培养结束时（70 d）,秸秆、堆肥处理的土壤过氧化氢酶、脲酶活性要高于葡萄糖、空白处理。葡萄糖处理在前期（0～40 d）对过氧化氢酶、脲酶活性有一定的影响,到后期（40～70 d）同空白之间差异不大。研究结果表明有机物料的加入可以提高土壤微生物量和土壤的呼吸强度,提高土壤酶的活性,对于农药污染土壤的修复具有积极的作用。     

京杭运河淮安段水利防护林群落护堤防蚀效应

对京杭运河淮安段水利防护林群落的护堤防蚀效应进行了研究.结果表明,防护林植被可以明显改善地表土壤物理性能,明显增加土壤总孔隙度和毛管孔隙度,降低土壤容重.不同植物群落对地表土壤的护堤防蚀效应明显不同.早熟禾群落和女贞群落可以有效提高土壤有机质含量和土壤通气蓄水效应.有植被分布的地表土壤抗蚀性比裸地显著增强（P＜0.05）.相对而言,早熟禾群落土壤水稳性指数最大（0.892）,其余依次为女贞群落（0.835）、梨树群落（0.791）、桃树群落（0.530）、水杉群落（0.397）和裸地（0.341）.植物群落土壤的抗蚀性与植物根系生物量、根数和土壤有机质含量分别呈显著正相关（P＜0.01）.     

有机无机肥配施对超级杂交稻产量构成及植株重金属含量的影响

以超级杂交稻＂Y两优1号＂为供试材料,保持总施氮量不变（180 kg.hm-2）条件下,研究不同比例有机无机肥配施对超级杂交稻产量构成及植株重金属含量的影响。结果表明,由施肥量-产量模型进行模拟,得到有机肥与尿素施入量分别为606.75和288.18 kg.hm-2时,水稻产量最高（10 084.37 kg.hm-2）;有机肥和尿素施用量分别为202.32和353.17 kg.hm-2时,经济效益最佳（产量为9 968.42 kg.hm-2）。不同比例有机无机肥配施对植株镉含量无显著影响。在6个梯度处理中,有机肥和尿素施肥量分别为600和289.27 kg.hm-2处理产量最高,且植株铬含量最低。     

扰动强化污染底泥有机物自净的研究

扰动能够强化水体溶解氧的恢复并加快传质,增强水体的自净作用,有利于水体和底泥COD的降解,是一种常用的污染水体的修复方法。文章通过人工模拟的水体,构建搅拌和曝气两种上覆水扰动条件,研究了在这两种条件下水体中有机物含量以及底泥中微生物量的变化情况,探讨了扰动对水体有机物去除的影响。研究结果表明：（1）与对照情况相比,在搅拌、曝气条件下水中ρ（溶解氧）分别由0.2 mg.L^-1提高到1.0和8.0 mg.L^-1左右;曝气条件下底泥中蛋白含量及细菌数均最高;（2）底泥中w（脱氢酶活性）在搅拌和曝气条件下分别为0.52和0.46μg.g^-1左右;（3）曝气条件下对上覆水中有机物的去除呈现出较好的降解趋势。因此,运用曝气技术既能加速有机物的生化降解,改善水质;又可强化水体溶解氧的恢复,创造了微生物生长繁殖的适宜环境,增强了水体中微生物的活性,促进了水体自净能力的提高,在治理河道污染的应用中具有广阔的前景。     

外源铁、磷对堆肥腐熟的影响及“腐殖酸-Fe-P”复合体的形成初探

针对堆肥过程中氮素损失严重,产品品质低下的问题,试验以FeCl3和Ca3（PO4）2（干质量比1∶1）混合物分别按10%（处理A）和15%（处理B）的比例添加到堆肥原料中,以未加任何外源物质的处理作为对照,进行添加外源铁、磷是否会促进堆肥腐熟、提高产品品质的研究。结果表明,与对照处理相比,外源铁、磷对堆肥油菜籽（Brassica napus）发芽率指数影响不大,但产品的氮素含量明显提高,分别高于对照1.42%和1.17%;外源铁、磷加速有机质的分解,有机质分解率分别高于对照处理13%和3.3%;外源铁、磷对堆肥产品腐殖酸结合的Fe含量分别为对照处理的4.4倍和1.98倍,铁结合的磷含量分别为9.12、5.91g·kg-1,对照处理仅为2.21g·kg-1,并通过相关文献讨论,提出堆肥体中可能形成了＂腐殖酸-Fe-P＂三元复合体的假设。从作用和成本上来看,处理A的添加比例较处理B合适。     

纳米Fe0对Cr（VI）的还原及其影响因素

采用纳米Fe0还原水溶液中的Cr（Ⅵ）,考察纳米Fe0投加量、Cr（Ⅵ）初始浓度、溶液pH值和有机酸等因素对cr（Ⅵ）还原的影响。结果表明,纳米Fe。对Cr（Ⅵ）的还原效果明显,其对Cr（Ⅵ）的还原率分别是铁粉和铁屑的7和13倍。Cr（Ⅵ）溶液初始质量浓度为20mg·L-1、Fe。投加量为5g·L“条件下,反应24h时纳米Fe0对Cr（Ⅵ）的还原率达82．7％。溶液低pH值可以促进Fe。的腐蚀速度,提高反应速率,当pH值为3．0时还原效果最好。草酸、丙二酸和丁二酸对纳米Fe。还原Cr（Ⅵ）均有明显的促进作用,3种有机酸对Cr（Ⅵ）还原率的提高幅度由高到低依次为草酸、丙二酸和丁二酸。     

铜离子对2种沉水植物种植水抑藻效应的影响

为了阐明铜离子对沉水植物化感抑藻作用的影响,利用2种常见且具有明显化感抑藻效应的沉水植物：马来眼子菜和苦草种植水进行了研究,分析了协同加入铜离子的情况下,种植水对铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）脆杆藻（Fragilariasp．）和沙角衣藻（Chlamydomonas sajao）等单细胞蓝绿藻生长的抑制效应。铜离子投入量参考污水综合排放标准,综合考虑水生动物和藻类的耐铜毒性范围,在较低的范围内设置4个水平：100、150、200、250μg铜离子每升藻类培养液。研究结果表明,与不同水平铜离子混合后,种植水的抑藻效应出现4种情况,（1）被消除,100μg·L-1铜离子加入后,马来眼子菜种植水对脆杆藻、苦草种植水对铜绿微囊藻的抑制作用被消除。（2）被削弱,马来眼子菜种植水在加入100μg·L-1和150嵋·一铜离子2种情况下,对铜绿微囊藻抑制作用被削弱,加入200μg·L-1铜离子后,对脆杆藻抑制作用被削弱;苦草种植水在加入150μg·L-1铜离子后,对铜绿微囊藻的抑制被削弱。（3）无变化,马来眼子菜种植水,分别加入200μg·L-1和250μg·L-1铜离子后,对铜绿微囊藻抑制效应不受影响,分别加入150μg·L-1和250μg·L-1铜离子,对脆杆藻抑制效应不受影响;苦草种植水,加入150μg·L-1铜离子后,对铜绿微囊藻抑制效应不受影响,加入100μg·L-1和150μg·L-1铜离子后,对沙角抑藻的抑制效应不受影响。（4）被强化,苦草种植水,分别加入200μg·L-1和250μg·L-1铜离子后,对铜绿微囊藻、沙角抑藻的抑制效应均被强化。沉水植物化感抑藻物质主要是小分子的有机物,包括各种有机酸,而铜离子极易和水中的有机物发生络合反应．可能是铜离子与种植水中某些抑藻化感物质发生络合反应导致其抑藻效应受到影响．具体机制有待进一步研究。