双室微生物燃料电池处含银废水的产电性研究

以剩余污泥为阳极底,糖蜜废水为基质,Ag Cl废水为阴极电子受体,构建了双室微生物燃料电池(Two-chamber Microbial Fuel Cell,简称MFCs),并研究了电池的产电特性、库仑效率及金属去除率.结果表明:Ag+不仅可以作为阴极电子受体,而且还能稳定产电,外电阻为1000Ω时,获得的最大电压为514.5 m V,最大功率密度为65.82 m W·m-2.在阴极实现了对废水中Ag+的去除,最大去除率可达71.6%,而且Ag+浓度为2000 mg·L-1时,回收金属银单质质量为197.66 g.在阳极对废水的处理效果也很显著,库仑效率最高为2.66%,COD去除率最大为81.22%.     

模拟废旧线路板生物浸出液中铜的回收

如何将废旧线路板生物浸出液中离子态铜以高品位单质形式回收是实现生物浸出回收金属的关键环节.本研究采用电沉积法,考察了模拟废旧线路板生物浸出液在恒流条件下阴极材料、电流密度、初始pH和初始铜浓度对铜回收效率和能耗的影响.结果表明,比表面积越大的阴极材料(碳毡)对铜的回收效率越高,阳极室和阴极室铜回收效率分别为96.56%、99.25%,总能耗和单位产物能耗越小,分别为0.022 kW·h、15.71 kW·h·kg-1.随着电流密度的增大铜回收效率和能耗呈上升趋势,当电流密度为155.56 mA·cm-2,阳极室和阴极室铜回收效率均达最大,分别为98.51%、99.37%,总能耗和单位产物能耗达最高,分别为0.037 kW·h、24.34 kW·h·kg-1.初始铜离子浓度对铜回收效率有明显影响,初始铜离子浓度越高,铜离子浓度下降的越快,总能耗越高,单位产物能耗越小.而初始pH值对铜回收效率没有明显影响.在优选条件下,阴极材料为碳毡,电流密度为111.11 mA·cm-2,初始pH=2.0,初始铜浓度为10 g·L-1,阳极室和阴极室铜回收效率分别为96.75%、99.35%,总能耗和单位产物能耗分别为0.021 kW·h、14.61 kW·h·kg-1,沉积的铜在阴极材料表面呈束状分布且未检测到氧的存在.     

硝酸盐浓度对微生物燃料电池阳极产电性能的影响

采用以假单胞菌Pseudomonas sp.C27为阳极优势菌属的微生物燃料电池(MFC)为研究对象,重点考察了进水中的硝酸盐浓度对于MFC系统产电及污染物去除的影响.实验结果表明,硝酸盐对于MFC的库仑效率(CE)影响较大,当硝酸盐浓度为250 mg·L~(-1)时,其电压下降段库仑效率仅为0.17%,而阳极未加入硝酸盐时,库仑效率为9.3%.当阳极初始硝酸盐浓度由0 mg·L~(-1)增加到250 mg·L~(-1)时,系统的传荷内阻由16.3Ω下降至11.2Ω,输出电压经短暂的电压下降后迅速回升至稳定,其稳定阶段输出电压与未受抑制阶段基本持平,最大输出功率可达到120 m W·m~(-2)左右.当硝酸盐浓度大于300 mg·L~(-1)时,硝酸盐对阳极微生物产电活性造成不可逆的抑制作用,系统产电能力大幅度下降且无法恢复至未受抑制阶段.可见,阳极生物反硝化过程对阳极生物产电具有电子竞争作用,过高的硝酸盐浓度会造成阳极生物膜产电性能降低甚至完全丧失.     

利用微生物燃料电池回收含铜废水中的铜

微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物新陈代谢作用将化学能转化为电能的装置。实验以石墨为电极材料,有机废水为阳极底物,以厌氧活性污泥为厌氧菌种,含铜废水为阴极液,构建了双室MFC反应器。研究了利用双室MFC产电的同时从含铜废水中回收单质铜的可行性,结果表明:连续流MFC最大电流密度可达0.63 mA/m2,产电性能略好于间歇流MFC。加入磷酸盐缓冲溶液的连续流MFC,其最大电流密度可达4.44 mA/m2,是加入磷酸盐缓冲溶液的间歇流MFC的7.05倍,是未加入磷酸盐缓冲溶液的连续流MFC的1.92倍。间歇流MFC阴极石墨棒上的沉积物为Cu2O,连续流MFC阴极石墨棒上的沉积物为Cu和Cu2O的混合物。MFC对含铜废水中Cu2+去除率均可达80%左右,尤其是连续流MFC,对Cu2+去除率可达99%以上。     

“三合一”微生物燃料电池的产电特性研究

为了降低内阻,尽可能提高微生物燃料电池的输出功率,提出了一种将阳极、质子交换膜和阴极热压在一起的"三合一"膜电极形式的微生物燃料电池,并考察了其在接种厌氧污泥条件下对乙酸自配水的产电特性.该"三合一"电池在稳定运行条件下电池内阻约为10～30Ω,远低于现已报道的其它形式的微生物燃料电池的内阻.目前该"三合一"型微生物燃料电池最大输出功率密度约300 mW·m-2,库仑效率约50%.试验结果表明,在一个间歇运行周期中,电池内阻增加是引起输出电压降低的最主要原因.同时在不同的外阻条件下,需要降低极化的重点不同.     

利用双室微生物燃料电池处理模拟废水的产电特性研究

本实验通过研究电池的启动过程、阳极有机物降解率和阴极Cu2+的去除率,评价了微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)的产电和处理废水性能.以模拟糖蜜废水作为阳极基质,模拟电镀废水作阴极电子受体,建立简单的双室微生物燃料电池.结果表明在外电阻为800Ω的情况下,电池得到最大电压417.00 mV,从极化曲线上获得最大输出功率密度44.17mW.m-2,内阻为293Ω.电池在第五周期时,COD去除率也达到最高47.31%.在第四周期内,Cu2+最大的去除率为59.76%.综上所述,MFC在处理有机废水和电镀废水方面具有可行性.     

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.     

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.     

耦合厌氧氨氧化反应的高氮负荷型双室MFC性能研究

实验针对厌氧氨氧化反应在双室型MFC阳极和阴极2种形式的耦合,将厌氧氨氧化菌分别接种于a、b-双室型MFC的阳、阴极,并探究其产电、脱氮性能及脱氮机理.结果表明,2种类型的MFC均可在NH+4-N、NO-2-N浓度分别为400 mg·L-1和528 mg·L-1的高氮浓度模拟配水条件下稳定启动.与开路状态下的线性关系曲线不同,2类MFC在闭路状态下氨氮、亚硝态氮浓度均呈单指数关系衰减曲线,脱氮效率显著提高,周期内氨氮、亚硝态氮去除率均分别达到99%和85%以上.另外a、b-MFC平均容积氮去除负荷分别为0.417 kg·m-3·d-1和0.516 kg·m-3·d-1.在外阻1500Ω条件下,a-MFC最高输出电压48.0 m V,b-MFC最高输出电压可达到502.2 m V,b-MFC稳定输电周期约2170 min.     

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.     

微波预处理污泥上清液为燃料的微生物燃料电池产电特性研究

采用经微波预处理的剩余污泥上清液作为接种体,成功地启动了空气阴极单室无膜微生物燃料电池(MFC),同时考察了不同微波时间和功率下MFC最大输出功率密度以及外接电阻对MFC的影响.结果表明,MFC整个产电周期长达600h,在同一微波功率(900W)下,MFC最大输出功率密度随辐射时间的延长而增大,在300s时达到210.07mW·m-2;当微波时间(300s)相同时,随着微波功率的增大,MFC最大输出功率在720W处出现一个峰值随后下降.长时间和较高功率(900W)的微波处理能够有效地提高MFC的工作效率;在最佳微波处理条件(300s,720W)下,最大输出功率密度最高可达306.2mW·m-2;不同外接电阻(30、500、2000Ω)下,库仑效率依次为83.3%、79.0%、33.6%;通过扫描电镜观察到,当外接电阻较高(2000Ω)时,阳极表面附着的微生物以球菌为主,外接电阻较低(30Ω)时,形态较为复杂,主要是丝状菌、球菌和杆菌,表明外接电阻会对MFC库仑效率和阳极表面微生物的富集产生影响.     

沉积物产电信号原位在线监测水体铜污染研究

采用一种新型沉积物-微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cells,SMFCs)装置,探索产电信号原位在线监测湿地水体Cu~(2+)污染的可行性.采集水稻土装入烧杯并淹水以模拟湿地环境.将SMFCs装置的阳极不锈钢管插入水稻土,阴极淹没在上覆水中进行产电.采用数据采集卡在线记录电压.产电30 min后,分别向阴极附近的上覆水中加入5 mL Cu~(2+)浓度为50、100、200和400 mg·L~(-1)的CuSO_4溶液,对照加入5 mL去离子水,每个浓度处理设置两个平行.Cu~(2+)加入后,电压迅速上升并在30 s内达到峰值,之后随着Cu~(2+)扩散和被土壤吸附,电压回落并保持稳定.将加铜前30 min电压平均值作为基准电压,用加铜后的电压峰值减去基准电压得到电压增量.结果显示,电压增量与加入的Cu~(2+)浓度呈现显著正相关关系.为揭示相关机制,检测了CuSO_4溶液理化性质,并对加铜后SMFCs装置的阳极和阴极电荷传递电阻进行测定、对优势产电细菌梭菌属(Clostridium)和地杆菌科(Geobacteraceae)细菌16S rRNA基因进行定量.结果表明,Cu~(2+)促进阴极反应,是引起电压升高的主要原因.而底泥的吸附作用减弱了Cu~(2+)对产电细菌的抑制,保证了Cu~(2+)污染事件后产电信号恢复稳定.     

剩余污泥为底物的微生物燃料电池处理含铜废水

以剩余污泥作为阳极底物,CuSO4溶液为阴极溶液构建了双室有膜微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC),研究了MFC的启动,污泥的降解,Cu2+的去除和阴极还原产物的性质.结果表明,Cu2+可作MFC的阴极电子受体,在外电路电阻为1 000 Ω,Cu2+浓度为6 400 mg/L的条件下获得的稳...     

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.     

两类微生物燃料电池治理硝酸盐废水的实验研究

采用二氧化铅阴极单室微生物燃料电池(MFC)和双室MFC,以葡萄糖为唯一电子供体,系统研究了两类微生物燃料电池的产电性能和去除硝酸盐的情况.结果表明,双室MFC闭合后,阳极室降解葡萄糖产生的电子可通过外电路传递到阴极,在生物的作用下,NO3--N得到电子被还原,平均反硝化速率达3.77 mg·L-1·d-1.双室MFC...     

活性炭优化生物阴极提升微生物燃料电池产电性能

对双室好氧生物阴极微生物燃料电池的阴极电极材料进行了优化.使用碳纤维刷阴极启动,进入稳定期后向反应器阴极室投加活性炭颗粒(T2)和活性炭粉末(T3),以提升微生物燃料电池的产电性能.实验结果表明,向阴极投加活性炭可以迅速提高微生物燃料电池的输出电压.投加活性炭颗粒后,T2的开路电压和最大功率密度分别提高了42%和237%;投加活性炭粉末后,T3的开路电压和最大功率密度分别提高了12%和42%.优化后的微生物燃料电池对COD的去除率分别是91.5%、90.3%,库仑效率分别提高了54.4%和17.9%.投加活性炭颗粒效果更好,可以显著提高微生物燃料电池产电性能,同时提高微生物燃料电池的COD去除率和库仑效率.     

Cu2+对以NO2-为电子受体反硝化过程的影响

短程生物脱氮工艺在废水处理中已经得到较为广泛的应用,其反硝化过程是实现氮去除的关键步骤,而关于废水中常见重金属离子Cu~(2+)对以NO2-为电子受体反硝化过程的影响尚无系统研究.选取A/O反应器内具有良好短程生物脱氮特性的污泥,通过批次试验及SBR长期试验分别探究了Cu~(2+)对以NO2-为电子受体反硝化过程的短期及长期影响.短期试验结果表明,Cu~(2+)对以NO2-为电子受体反硝化过程具有明显抑制作用,对污泥反硝化活性的半抑制浓度EC50为4. 79 mg·L-1.在长期影响试验中逐渐提高污泥对Cu~(2+)的耐受浓度,当Cu~(2+)浓度为0. 5 mg·L-1和1 mg·L-1时,污泥反硝化活性降低后均能够通过驯化恢复至原有水平;而Cu~(2+)浓度升高至3 mg·L-1后污泥反硝化性能遭到破坏且难以恢复,NO_2~--N去除率降低至10%以下,反硝化系统遭到严重抑制.但是,停止投加Cu~(2+)后污泥反硝化活性在第14 d恢复至原有水平.同时,在Cu~(2+)的长期影响过程中,EPS含量增多,对微生物抵御Cu~(2+)的毒害起到重要保护作用,促使污泥粒径增大,污泥沉降性得到提高.     

Sustainable green technology on wastewater treatment: The evaluation of enhanced single chambered up-flow membrane-less microbial fuel cell

This study demonstrated the potential of single chamber up-flow membrane-less microbial fuel cell(UFML-MFC) in wastewater treatment and power generation. The purpose of this study was to evaluate and enhance the performance under different operational conditions which affect the chemical oxygen demand(COD) reduction and power generation,including the increase of KCl concentration(MFC1) and COD concentration(MFC2). The results showed that the increase of KCl concentration is an important factor in up-flow membrane-less MFC to enhance the ease of electron transfer from anode to cathode. The increase of COD concentration in MFC2 could led to the drop of voltage output due to the prompt of biofilm growth in MFC2 cathode which could increase the internal resistance. It also showed that the COD concentration is a vital issue in up-flow membrane-less MFC.Despite the COD reduction was up to 96%, the power output remained constrained.     

苯胺黑药高效降解菌(Bacillus vallismortis)胞外聚合物去除重金属的研究

微生物胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)在废水中重金属的吸附去除过程中起着非常重要的作用.苯胺黑药高效降解菌(Bacillus vallismortis)对苯胺黑药有良好的降解能力,但对其吸附重金属的性能研究还不充分.因此,本文采用3种方法提取苯胺黑药高效降解菌的EPS,主要考察了p H、温度、底物浓度和时间对重金属去除效果的影响.结果表明,热提法提取的效率较高;p H对金属离子吸附影响很大,当p H7时,随着p H变大吸附量逐渐升高,而温度对吸附量影响不大.EPS对Cu~(2+)、Zn~(2+)的去除为快速表面吸附过程,在第8 min时对Cu~(2+)、Zn~(2+)的去除率分别达到了90.7%、52.3%,EPS对Cu~(2+)、Zn~(2+)的吸附表观上符合拟二级动力学规律.在单一体系中,根据Langmuir方程计算出EPS对Cu~(2+)的最大吸附量为2.155 mg·mg-1,对Zn~(2+)的最大吸附量为0.508 mg·mg-1;Cu~(2+)吸附过程与Freundlich方程拟合效果较好,Zn~(2+)吸附过程与Langmuir方程拟合效果较好.红外光谱分析结果表明,EPS表面的羟基、氨基、酰胺基团、羧基和C—O—C基团都参与了吸附,且Cu~(2+)和Zn~(2+)的吸附位点基本一致,本文的研究结果对工程实践具有一定的理论指导意义.     

环境因素对接种Shewanella baltica的微生物燃料电池产电能力的影响

通过筛选获得1株Shewanella baltica,分别改变阳极基质种类、浓度、pH和温度,考察不同条件下接种该菌后MFC产电特性.乳酸钠作为基质时接种该菌的MFC产电功率密度最大,MFC产电功率密度和基质浓度满足Monod模型.阳极溶液pH和温度对接种该菌的MFC产电功率密度影响最大.阳极溶液pH为8时接种该菌的MFC产电功率密度最大可达1236mW/m2,最大功率密度上升主要是阳极内阻和阳极电势影响所致.接种该菌的MFC最大产电功率密度在50℃达到1197mW/m2,最大功率密度随温度变化的主要原因是温度对阳极内阻的影响,20～50℃时MFC电流密度与温度满足Arrhenius方程.