微生物燃料电池处理含S2-/NH4+废水的研究

以除硫硝化微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)处理含S~(2-)/NH_4~+的模拟无机废水,研究了不同进水S~(2-)浓度下MFC的产电性能、污染物去除效果和阳极室硫累积情况.结果表明,除硫硝化MFC可实现同步阳极除硫和阴极硝化,并通过非生物电化学作用和生物电化学作用共同产电.进水S~(2-)浓度为(60.8±2.9)、(131.7±2.4)、(161.7±4.5)和(198.1±3.1)mg·L~(-1)时,最佳阳极碳刷清洗周期分别为3、3、3、4个换水周期,前3个进水浓度下的换水周期可分别缩短为6、8和8 h.MFC阴极硝化完全,不受进水S~(2-)浓度影响,但氧从阴极向阳极的渗漏导致阳极库仑效率较低(40%).适当增加进水S~(2-)浓度可增强MFC的产电性能并提高S~(2-)去除负荷和颗粒硫累积比.除硫硝化MFC适宜的进水S~(2-)浓度为(161.7±4.5)mg·L~(-1),相应的最大功率密度为5.77 W·m~(-3),周期产电量为(141.0±5.2)C,S~(2-)去除负荷为(0.31±0.00)g·L~(-1)·d~(-1),颗粒硫累积比达58%.阳极碳纤维丝上沉积有粒径约100 nm的颗粒硫.阳极悬浮物与沉积物相比,悬浮物中S0含量比例较高,而S6+含量比例较低.     

填料型微生物燃料电池产电特性的研究

将石墨和碳毡作为阳极填料组装成填料型微生物燃料电池,其启动期在1 d左右,低于平板型微生物燃料电池的启动期.碳毡作为填料时,微生物燃料电池的最大产电功率密度为1 502 mW/m2(37.6 W/m3),优于石墨作为填料的MFC.将碳毡与碳纸烧结一体以提高填料型微生物燃料电池阳极的导电性,与平板型微生物燃料电池相比,其面积内阻从0.071 Ω穖2下降到0.051 Ω穖2,最大电流密度从3 000 mA上升到8 000 mA,最大产电功率密度从1 100 mW/m2(27.5 W/m3)上升到2426 mW/m2(60.7W/m3),阳极电势平均下降100 mV.循环流量影响填料型微生物燃料电池的产电能力,当流量低于1 mL/min时,其产电功率密度随流速降低而下降.填料型微生物燃料电池在外电阻为600 Ω下长期稳定运行30 d以上,其库仑效率约为10.6%.     

单室微生物燃料电池产电与脱氮除磷的研究

实验针对空气阴极型单室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC),研究其产电性能及对实验室模拟废水中有机物、氮和磷元素的去除效果.结果表明,在外电阻为1000Ω的情况下,该电池最大输出电压可达371 m V,最大输出功率密度可达301.6 m W·m~(-2),最大电流密度可达2.4 A·m~(-2),内阻为200Ω.当入水氨氮浓度为4 mmol·L~(-1)时,该电池的产电效果最好,对污染物的去除效果也较好.研究还发现,电池最佳运行周期为72 h,阳极室出水最佳曝气时间为6 h,阳极室出水COD、TN和TP的降解率分别为93.3%、19.7%和44.8%.将阳极液曝气处理后,相对于阳极室入水其TN和TP的总去除率分别可达79.6%和95.2%.另外,通过扫描电镜观察到MFC的阳极液中大多为球形菌,阴极电极表面有针状的结晶形成,经能谱测试为鸟粪石结晶.     

双筒型微生物燃料电池产电及污水净化特性的研究

构建了双筒型微生物燃料电池并考察了产电和污水净化特性,在此基础上考察不同阳极填料对微生物燃料电池产电的影响.通过稳态放电法和电流中断法测量得到微生物燃料电池的内阻,以颗粒石墨作为阳极填料的双筒型微生物燃料电池内阻为38.9 Ω,阳极内阻、欧姆内阻和阴极内阻分别为5.1、 14.1和18.7 Ω,最大产电功率密度为6 253　mW/m³,双筒型微生物燃料电池的构型能有效提高单位体积质子膜面积.双筒型微生物燃料电池对COD的去除负荷为1.6 kg/(m³·d),库仑效率约为10%～12%.阳极填料为大颗粒石墨、小颗粒石墨、碳毡和穿孔型碳毡的双筒型微生物燃料电池的内阻分别为47、 39、 28和33 Ω,稳定运行周期分别为20、 18、 11和18 d.从兼顾产电和稳定运行角度出发,穿孔型碳毡和小颗粒石墨更适合用作MFC阳极填料.     

桉树叶提取液还原石墨烯电极提高微生物燃料电池产电性能的研究

将桉树叶提取液绿色还原氧化石墨烯(G-rGO)电极和微生物还原氧化石墨烯(B-rGO)电极依次作为微生物燃料电池(MFC)阳极,采用红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对所制备的电极进行表征,并采用循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)对比2种电极的电化学性能.结果发现,G-rGO阳极的内阻为243.87Ω,应用于MFC时最大功率密度和最大输出电压分别为18.77 W·m~(-3)和760 mV,对照组B-rGO电极的内阻为299.11Ω,将其应用于MFC时最大功率密度和最大输出电压分别为13.16 W·m~(-3)和635 mV,对照组未修饰阳极的内阻为375.21Ω,最大功率密度和最大输出电压分别为8.97 W·m~(-3)和480 mV.研究表明,G-rGO电极电阻更小,导电性能更优越.     

反硝化脱硫微生物燃料电池的可行性研究

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)可在去除废水中污染物的同时回收电能.以S2-和NO-3-N分别作为阳极电子供体和阴极电子受体,研究了反硝化脱硫MFC的同步阳极除硫与阴极脱氮,分析了阳极进水S2-浓度对MFC产电性能及污染物去除情况的影响,探究了MFC阳极石墨纤维丝上的硫沉积情况及其对内阻的影响.结果表明,反硝化脱硫MFC在32 d内实现稳定的阳极除硫与阴极脱氮.外阻为100Ω时,电压稳定在(176.0±6.9)m V,相应的S2-和NO-3-N去除负荷分别为(0.94±0.04)kg·m-3NC·d-1和(11.1±0.6)g·m-3NC·d-1.MFC的产电能力随着阳极进水S2-浓度的增加逐渐增强,SO_2-4的生成率和NO-3-N去除负荷受S2-浓度影响较小.在试验S2-浓度下S2-的去除较彻底,SO_2-4的生成率均超过65%.NO-3-N去除负荷维持在12 g·m-3NC·d-1左右,出水NO-2-N浓度均低于0.01 mg·L-1.反硝化过程较完全.在运行过程中,MFC阳极的石墨纤维丝上会沉积颗粒硫,降低电极的有效面积,使MFC的内阻升高.     

阳极内添加阳离子交换树脂提升辊压“三合一”膜电极MFC性能

阳极-隔膜-阴极的"三合一"膜电极结构能够最大程度减小阴阳极间距,提高微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)的输出功率.为进一步提高MFC性能,本研究使用非贵金属材料构建了辊压"三合一"膜电极系统,其欧姆内阻降低至3~5Ω.以乙酸钠为底物,MFC的最高功率密度达到446 m W·m-2.向阳极内添加固体小球(如聚苯乙烯球和玻璃微球)可在辊压过程中增加阳极表面和内部的大孔,强化电解液向阴极的传递从而使MFC的功率密度提升10%.添加阳离子交换树脂能够进一步强化阳极内部的质子传递,提高阴极电位,从而将功率密度提升至543 m W·m-2.此外,阳极内添加阳离子交换树脂还可提高电池运行的稳定性和库仑效率.     

微生物燃料电池改性阳极处理PTA废水

探讨了不同改性阳极对微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)产电性能及其对MFC处理难降解废水能力的影响.以单室空气阴极为基础,利用0.1 g电气石、质量分数75%二氧化锰/埃洛石纳米管(manganese bioxide/halloysite nanotube,MnO_2/HNT)和多壁碳纳米管-羧基(multi-walled carbon nanotube-carboxyl,MWCNT-COOH)对MFC阳极进行修饰.结果表明,不同改性阳极的MFC对含精对苯二甲酸(purified terephthalic acid,PTA)废水的去除率均高于70%,且化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率在79%以上.相较于其他几种改性阳极,以MWCNT-COOH改性材料作阳极的MFC产生的最大输出电压最高,获得的最大功率密度最高,分别为529 mV和252.73 mW·m~(-2).     

微生物燃料电池强化去除农药2,4-二氯苯氧乙酸及同步产电性能

研究了广泛应用的农药2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)存在对微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFCs)产电性能、污染物去除及微生物群落结构的影响,并探讨了阳极预曝气对2,4-D的强化去除及产电影响.结果表明,向以乙酸钠为燃料的双室型微生物燃料电池阳极室内加入2,4-D,会降低系统输出电压,降低功率密度,增加内阻.当300 mg·L~(-1)的2,4-D与乙酸钠(850 mg·L~(-1))共存时,与乙酸钠单基质相比,最大功率密度从0.151 W·m~(-2)迅速下降到0.057 W·m~(-2),内阻相应从524Ω增加到1 230Ω.为了加快系统中2,4-D的去除,减少其对产电菌的抑制效应,采用阳极预曝气6 h的运行方式,显著提高了2,4-D去除效率,同时获得了0.42~0.47 V的最高输出电压.2,4-D加入后MFC阳极微生物群落结构发生了变化,选择出了多种2,4-D降解菌及具有2,4-D耐受能力的产电菌.研究表明,可以通过阳极预曝气方式强化2,4-D去除的同时从MFCs系统回收电能.     

单室空气阴极微生物燃料电池硝酸根去除系统的建立和性能研究

本文以单室空气阴极微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)处理含不同浓度硝酸根的模拟废水,研究了NO~-_3-N初始浓度和开闭路培养方式对单室MFC的启动、硝酸根去除性能和产电性能的影响.结果表明,随着NO~-_3-N初始浓度的提高,MFC的NO~-_3-N平均去除速率达到稳定值所需时间增加,NO~-_3-N平均去除速率提高.当NO~-_3-N初始浓度为200 mg·L~(-1)时,闭路组MFC的NO~-_3-N平均去除速率达到(3.52±0.28) kg·m~(-3)·d~(-1),高于相近条件下许多传统生物反应器的NO~-_3-N平均去除速率.硝酸根去除过程主要发生在MFC运行周期的前期.硝酸根对阳极生物膜中主要产电菌Geobacter的生物量没有影响.当基质充足时,所有闭路组MFC的最大功率密度相近(～27 W·m~(-3)).闭路组MFC比开路组MFC具有更高的NO~-_3-N去除速率,可能与其阳极生物膜具有电化学还原亚硝酸根能力和Thauera易在其阳极上富集有关.     

硝酸-PPy/AQDS联合处理改善阳极性能的分析表征

阳极性能是影响微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs)性能的关键因素之一.通过吡咯聚合、蒽醌-2,6-磺酸钠盐(AQDS)掺杂以及库仑量调控将不同厚度的PPy/AQDS复合薄膜电沉积至硝酸处理的碳毡阳极上,以期整合碳毡阳极的生物亲合性、导电性及电子传递能力,同时强化阳极的这3种性能.结果表明,随着整合强度的加强,阳极性能逐步得到提升,整合阳极在阳极生物量、电导率以及交换电流密度方面优于对照组2.4~3.3倍,其中0.12 C·cm~(-2)的整合阳极表现出最高的峰值电流(2.86 m A)、最大的阳极生物量(0.44 mg·cm-2)、最大的电导率(0.33 S·cm~(-1))、最大的交换电流密度(3.65×10~(-3)A·m~(-2))以及最小的传质阻力,其对应MFC的最大功率密度达1 060.7 m W·m~(-2),是对照组的2.2倍,阳极开路电势接近-0.55V.循环伏安、电化学阻抗谱、扫描电镜和塔菲尔测试进一步揭示了PPy/AQDS复合薄膜在阳极碳纤维之间的联接、架桥作用,使得不同纤维丝之间的接触更加均匀,减小了电子在生物膜与阳极之间、阳极与外回路之间的传递阻力;同时,沉积于碳毡阳极的PPy/AQDS复合薄膜与硝酸处理后阳极表面形成的吡咯氮类官能团之间的协同作用可能是整合阳极性能提升的本质原因所在.     

甲烷生物燃料电池的产电影响因素及机制研究

考察了阳极电极材料、电极面积、电极电位、pH、阴极电子受体对甲烷生物燃料电池（MFC）产电性能的影响,并通过高通量测序、循环伏安法（CV）分析了其可能的电催化机制.结果表明,透气布/碳布（GTC）复合材料为阳极时产电性能（1251.3 mA·m^-2）最佳,分别是石墨烯/中空纤维膜（G-HFM）阳极（34.8 mA·m^-2）和碳布（CC）阳极（3.21 mA·m^-2）的36倍和390倍;阳极面积越大,MFC启动时间越快,电流密度越大;当电极恒电位为0.1 V （vs.SHE）时,其产电能力较-0.1、+0.3及+0.5 V时高;pH=7最有利于产电;溶解氧为MFC阴极电子受体时,最大功2率密度（703.9 mW·m^-2）优于铁氰化钾（457.2 mW·m^-2）、空气阴极（124.2 mW·m^-2）和高锰酸钾（20.7 mW·m^-2）作为电子受体的MFC.阳极室微生物群落结构分析显示,电活性细菌Geobacter（17.14%）和Desulfovibrio（8.51%）为优势种,其产电机理可能是甲烷氧化菌（Methanobacterium、Methylomicrobium等）与电活性细菌协同氧化甲烷驱动MFC产电.添加NO气体、N-乙酰蛋氨酸和蛋白酶K均可明显抑制阳极生物膜的电化学活性,表明其胞外电子传递过程依赖细胞色素c、Ni-Fe氢酶及与电极接触的外膜蛋白的介导作用.     

微生物燃料电池恒电流预培养阳极生物膜分析表征

阳极性能是影响微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)性能的关键因素之一,同时阳极的接种挂膜过程是影响微生物燃料电池启动效率的关键因素.因此,本课题组提出了预培养阳极作为微生物燃料电池的一种新型阳极的概念,在三电极体系下,通过外加恒定电流预培养阳极,在不同条件下对阳极表面进行电化学选择和生物膜驯化以丰富生物膜结构和厚度.结果表明,阳极的性能与预培养电流大小密切相关,预培养阳极CF-4i(外加4 A·m-2电流密度)通过循环伏安法、塔菲尔曲线、电化学阻抗谱测试,性能好于其他测试组及对照组,装配阳极CF-4i的微生物燃料电池能实现最大功率密度968.20 m W·m-2,是对照组的2.53倍.同时,通过共聚焦显微镜观察发现,生物膜大体分两层,外层的活细胞及内层的死细胞,外层活细胞长在内层死细胞之上.这种结构分布表明,阳极生物膜中的活细胞部分绝大多数都分布于生物膜的外侧,而不是均布于整个阳极生物膜中;同时这也表明不是整个阳极生物膜都具有新陈代谢活性,但死亡的细胞可以继续积累在电极表面附近,活的外层膜负责电流的产生,而内层的死细胞作为一种导电基质.     

一段式亚硝化厌氧氨氧化SMBBR处理中低浓度氨氮废水

在常温条件下,采用一段式亚硝化厌氧氨氧化SMBBR处理中低氨氮浓度废水.结果表明,在进水氨氮浓度为100 mg·L^-1,溶解氧为0.4~0.7 mg·L^-1条件下,负荷（以N计）为0.16 kg·（m³·d）^-1,去除率可达（51.58±6.80）%,实现了一段式亚硝化厌氧氨氧化的稳定运行.AOB、ANAMMOX和NOB活性分别稳定在（2253.21±502.10）、（4847.46±332.89）和（1455.17±473.83）mg·（m²·d）^-1,AOB和ANAMMOX菌之间形成了良好的协同作用.高通量结果显示,Ca.Brocadia（ANAMMOX）、Nitrosomonas（AOB）和Nitrospira（NOB）占比分别为11.57%、1.01%和0.94%.一段式部分亚硝化厌氧氨氧化工艺的稳定运行为厌氧氨氧化技术处理中低浓度氨氮废水提供了参考.     

石油污染物对海底微生物燃料电池性能的影响及加速降解效应

海底石油污染物在缺氧环境下导致其生物降解过程缓慢,对海洋环境造成长期危害.本文利用海底微生物燃料电池(BMFCs)原理,尝试通过电催化作用提高海底石油污染物的降解速率.对比测试了含油电池装置(BMFCs-A)与无油电池装置(BMFCs-B)的电化学性能,研究了石油污染物对电池性能的影响;比较了含油通路(BMFCs-A)和断路状态下(BMFCs-C)的石油降解率和细菌聚集量,分析了BMFCs对石油污染物降解的加速作用.结果表明,BMFCs-A和BMFCs-B阳极的交换电流密度分别为1.37×10-2A·m-2和1.50×10-3A·m-2,最大输出功率密度分别是105.79 m W·m-2和83.60 m W·m-2,BMFCs-A装置的抗极化能力增强,交换电流密度提高近9倍,最大输出功率密度提高1.27倍.BMFCs-A和BMFCs-C阳极表面的异养菌数量分别是(66±3.61)×107CFU·g-1和(7.3±2.08)×107CFU·g-1,细菌数量增加了8倍,高的异养菌数量导致石油降解加速进行,BMFCs的石油降解率是自然条件下的18.7倍.BMFCs在电化学性能提高的同时,加速石油污染物的降解.本文同时提出了一种海底微生物燃料电池对石油污染物加速降解的新模式.     

pH冲击对海洋厌氧氨氧化菌处理含海水污水脱氮效能的影响

采用ASBR反应器,研究了pH冲击对海洋厌氧氨氧化菌处理含海水污水脱氮效能的影响,并利用Andrew模型和Ratkowsky模型模拟pH冲击下海洋厌氧氨氧化菌的脱氮过程.结果表明,当pH在7~8时,反应器的脱氮效果最佳,氨氮去除负荷(NRR)稳定在(0.30±0.04)kg·(m~3·d)~(-1),总氮去除率(TNRE)在(76.73±5.74)%;当pH为8.5时,游离氨(FA)的平均浓度为14.22 mg·L~(-1),该FA浓度对NRR的影响较小,NRR仍维持在(0.30±0.02)kg·(m~3·d)~(-1)左右,但是NO_2~--N在pH的直接影响下出现了积累,不能够完全去除,此条件不利于反应器的稳定运行;当pH为6.5和9时,FA浓度分别为0.22mg·L~(-1)和37.84 mg·L~(-1),NRR分别低至(0.10±0.02)kg·(m~3·d)~(-1)和(0.15±0.02)kg·(m~3·d)~(-1),且TNRE仅为(23.04±9.88)%和(42.12±5.52)%.海洋厌氧氨氧化菌在碱性条件下的耐受性强于酸性条件.采用修正的Andrew模型进行拟合,得到了NRR与FA之间的相互关系,同时还可以得到NRR_(max)、k_S和k_I等参数,对于表征海洋厌氧氨氧化菌的脱氮过程具有实际意义.