电子受体对微生物燃料电池产电性能的影响

以厌氧污泥为接种菌源,醋酸钠为阳极基质,分别构建了铁氰化钾和过硫酸铵为电子受体的双室微生物燃料电池(MFC),并研究了MFC在不同电子受体下的产电性能。结果表明,以铁氰化钾和过硫酸铵为电子受体的MFC最大稳定输出电压均随着电子受体浓度的升高而增大。当铁氰化钾质量浓度大于2.0g/L时,MFC最大稳定输出电压增幅不大。两种MFC的内阻均随电子受体浓度的增大而降低。阴、阳极溶液体积相等,外阻为5 000Ω时,以10.0g/L过硫酸铵为电子受体,MFC最大开路电压和最大输出功率密度分别为1 029.0mV和385mW/m3;以10.0g/L铁氰化钾作为电子受体,MFC最大开路电压和最大输出功率密度分别为711.8mV和73mW/m3,均小于以过硫酸铵为电子受体的最大开路电压和最大输出功率密度。因此,过硫酸铵是一种理想的电子受体,能够提高MFC产电性能。     

共基质下微生物燃料电池同步脱色甲基橙与产电性能

采用双室方形微生物燃料电池(MFC),以葡萄糖作为共基质,研究了共基质浓度对典型偶氮染料甲基橙在MFC阳极室中脱色效率及同步产电的影响。结果表明,在0~1.5 g/L浓度范围内,共基质浓度越大,甲基橙脱色率、COD去除率和最大输出电压越高。在共基质浓度为1.5 g/L,进水甲基橙为300 mg/L的条件下,8 h的脱色率高达95%,且在1 000Ω外电阻下,最大输出电压达到662 m V;在无共基质条件下,8 h内对300 mg/L甲基橙的脱色率仅为7.5%,最大输出电压仅达到140 m V。厌氧对照实验表明,甲基橙在MFC中可以实现加速脱色,反应8 h后甲基橙在MFC中的脱色率提高了57%。该研究为开发新型MFC降解偶氮染料废水技术提供了理论依据。     

以不同底物和苯胺为燃料的微生物燃料电池的产电特性

通过构建空气阴极型双室微生物燃料电池,研究了以500 mg/L苯胺作为唯一燃料以及苯胺和不同底物共基质时MFC对苯胺的降解特性及MFC的产电性能。结果表明,在外电阻1 000Ω,以500 mg/L苯胺为唯一燃料以及500 mg/L苯胺分别和500 mg/L乙酸钠,葡萄糖和可溶性淀粉作为共同基时的MFC运行周期分别为3、3.4、4.6和5 d;最大输出电压分别为273、450、428和380 m V;输出功率分别为142、225、201和160 m W/m2。苯胺去除率分别为68%、85.8%、71%和65%。内阻分别为931、524、564和751Ω,COD去除率分别为68%、85%、72%和65%。库伦效率分别为1.8%、7.9%、6.6%和4.5%。MFC可以使用苯胺作为唯一燃料,且当添加的基质不同时,MFC产电性能以及苯胺降解状况有所不同。利用MFC可以使苯胺高效快速降解的同时实现稳定的电压输出。     

双室微生物燃料电池处理硝酸盐废水

基于双室微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC),针对阴极分别接种活性污泥(A-MFC)和反硝化细菌(D-MFC),研究其产电情况和硝酸盐废水去除效果。结果表明,在产电的同时都可有效去除废水中的硝酸盐污染物。在外接电阻100Ω的情况下,2种MFC均具有良好的产电性能,A-MFC和D-MFC达到的最大输出电压分别为119.6 mV和117.2mV,最大功率密度分别为23.40 mW/m2和26.63 mW/m2;同时两者在阴极室的平均反硝化速率分别为1.86 mg/(L.d)和2.19 mg/(L.d),阳极室的平均COD去除率分别为81.9%和82.4%。另外,通过扫描电镜观察可知,A-MFC和D-MFC阴极碳布表面形貌存在差异,并且阳极与阴极碳布表面形貌差异显著。     

以两种酚类有机物为基质的微生物燃料电池产电特性

以城市污水处理厂的厌氧污泥为接种微生物,在外电阻为1900Ω下,采用双室微生物燃料电池(MFC)分别对以难降解的有毒有机物2,4-二氯苯酚(DCP),对硝基苯酚(PNP),对硝基苯酚和2,4-二氯苯酚为基质时进行有机物降解和产电性能的研究。实验结果表明以DCP(50 mg/L)为单一基质时,MFC的运行周期长达225 h左右,负载两端的最大电压值达393.7 mV,库仑效率为13.73%;而以PNP和DCP为混合基质时,PNP明显促进DCP的降解,使得DCP的去除率高达64.52%,同时PNP的去除率也达到94.47%。实验最终表明,MFC能够以2,4-二氯苯酚和对硝基苯酚为基质,在实现DCP和PNP降解的同时可稳定高效地向外输出电能。     

新型微生物脱盐电池处理重金属铬废水

构建一种新型三室微生物脱盐电池(MDC),研究其脱盐产电并同步处理污染废水的效果。结果表明,阳极室为葡萄糖溶液,中间室盐溶液浓度5 g/L,阴极室为铁氰化钾溶液,闭合体系瞬时获得最高电压650 mV,同时脱盐效果良好,该MDC成功启动。其后,阴极室以重金属铬(200 mg/L)废水作为电子受体,中间室初始盐浓度为20 g/L、35 g/L,Cr(Ⅵ)平均还原率分别为1.06 mg/(L.h)和0.64 mg/(L.h),两者Cr(Ⅵ)的去除率均能达到80%以上,脱盐率分别为81.64%(20 g/L)和88.95%(35 g/L)。中间室盐浓度20 g/L时,获得最大输出电压466.6 mV,最大体积功率密度98.6 mW/m3,最佳内阻655.8Ω,库仑效率1.16%。表明该MDC系统具有良好的脱盐效果和处理废水效果。     

好氧反硝化苯酚降解菌的分离鉴定及动力学

从驯化菌群中分离筛选出一株好氧反硝化苯酚降解细菌,经生理生化反应及16S rDNA测序,鉴定为Diaphorobacter属细菌。在好氧条件下,该菌株以苯酚为唯一碳源和能源,利用NO-3-N作为反硝化电子受体,其生长与反硝化特性研究表明:在接种量5%(体积分数),30℃,180 r/min振荡培养条件下,菌株降酚能力可达1 400 mg/L,同时,能有效去除初始浓度为165 mg/L的硝酸盐氮,60 h其去除率为91.5%,高含量苯酚对菌体生长有一定的抑制作用。应用Haldane方程对其生长过程进行动力学模拟,拟合曲线与实验测定值相关性良好,各参数分别为μmax(最大比增长率)0.324 h-1,Ks(半饱和常数)9.36 mg/L,Ki(抑制常数)146.72 mg/L,通过理论分析及实验验证得,该菌株苯酚降解动力学与其生长动力学表现出相似的趋势。     

微生物燃料电池化学阴极与生物阴极处理含铬废水

采用双室微生物燃料电池(MFC)反应器,考察了不同初始Cr(VI)浓度下化学阴极与生物阴极MFC的产电及Cr(VI)去除情况。结果表明,在各Cr(VI)浓度梯度(20、28、32、36、40和44mg/L)下生物阴极MFC的产电及Cr(VI)去除性能均较化学阴极MFC更优,生物阴极最大输出电压为180.1mV,是化学阴极的1.3倍。随着初始Cr(VI)浓度的递增,两者对Cr(VI)去除的差异越明显,最终在Cr(VI)浓度为44mg/L时,生物阴极MFC的Cr(VI)去除率为66.4%,较化学阴极提高了55.1%。进一步由循环伏安扫描、电镜扫描及X-射线能谱分析证实生物阴极MFC较化学阴极MFC产电及去铬性能优越的主要原因除了生物阴极电极上电化学活性微生物的催化作用外,Cr(VI)还原产生的不导电Cr(III)沉积物在其电极上附着较少也是一个关键因素,该Cr(III)沉积物中含有Cr2O3。     

生物阴极式碳纸隔膜微生物燃料电池的反硝化和产电性能

为了探讨生物阴极式廉价隔膜微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)的基本性能,首先以生物反硝化作用为基础构建了生物阴极MFC,并进一步以涂布聚四氟乙烯(PTFE)的廉价碳纸代替昂贵的质子交换膜(PEM)构建碳纸隔膜生物阴极式MFC。研究结果显示,对于生物阴极式MFC,阴极室中最适宜反硝化细菌生长的NO-3-N浓度为99.2 mg/L,此时输出电压最高可达0.11 V,1 h内NO-3-N的去除率达到80.0%,COD去除率为62.8%;以涂PTFE的碳纸代替PEM的生物阴极式MFC与有PEM的MFC最高输出电压基本一致(均达到0.22 V,外阻500Ω),但碳纸隔膜MFC的产电更稳定。结果验证了廉价隔膜生物阴极式MFC的可行性,并为其应用于污水脱氮奠定基础。     

微生物燃料电池处理含铜废水的研究

构建了以乙酸钠为阳极基质、Cu~(2+)为阴极电子受体的双室微生物燃料电池(MFC),考察了该MFC处理含铜废水的效果及Cu~(2+)浓度对MFC产电性能的影响。通过改变阴极液中CuSO_4的质量浓度(20~130mg/L),测试了MFC运行过程中的输出电压、输出功率密度、内阻、Cu去除率等指标。结果表明:Cu~(2+)可作为MFC的阴极电子受体;在外电路电阻为1 000Ω的条件下,Cu~(2+)质量浓度为130mg/L的MFC性能最佳,其稳定输出电压为0.33V、最大输出功率密度为114.42mW/m~2,内阻为231.62Ω,最高Cu去除率为84.59%;通过X射线衍射测试发现,阴极还原产物为Cu_2O。     

铁氰化钾对双室微生物燃料电池曝气阴极性能的改善

为研究铁氰化钾对双室微生物燃料电池(MFC)阴极性能的改善效果,以碳毡和碳棒作为复合电极材料,乙酸钠为阳极电子供体,分别以氧气、铁氰化钾和氧气交替作为阴极电子受体.通过测定使用铁氰化钾作阴极电极液之前和之后的曝气阴极MFC的功率密度及极化曲线,比较曝气阴极MFC的内阻、开路电压(OCV)和最大输出功率的变化情况.实验结果表明,当以铁氰化钾作为MFC阴极电子受体时,MFC的内阻、开路电压和最大输出功率分别为24.2 Ω、744.2 mV和33.7 W/m3.曝气阴极MFC在采用铁氰化钾作电极液对阴极性能进行改善之前和改善之后的内阻由77.2 Ω降低到40.1Ω,OCV和最大输出功率分别由517.9 mV和2.1 W/m3提高到558.2 mV和4.4 W/m3.研究表明,铁氰化钾本身不仅具有优良的接受电子的能力,而且对电极材料(碳毡和碳棒)的电化学性能具有明显的改善作用,使得使用铁氰化钾之后的曝气阴极MFC的产电性能有了明显且持久性的提高.     

不同驯化方式对以苯酚为基质的微生物燃料电池产电性能的影响

以厌氧污泥作为初始接种体,构建了单室微生物燃料电池（MFCs）,考察了梯度驯化、直接驯化和间接驯化3种不同驯化方式对MFC降解苯酚及产电性能的影响。结果表明,MFC在闭路状态下对苯酚的降解速率比MFC在开路状态下的苯酚降解速率加快10%～20%,说明MFC在产电的同时,可加速苯酚的降解。当以600 mg/L的苯酚溶液为单一燃料,反应68 h后,3种驯化方式下的MFC对苯酚降解率都达到90%以上。相对于其他2种驯化方式,梯度驯化条件最有利于MFC产电性能的提高及苯酚的降解,其最大输出功率为31.3 mW/m2,降解速率提高了7%～20%。     

光合细菌强化二级流化床工艺处理焦化废水的研究

采用厌氧酸化加二级流化床组合工艺处理焦化废水。一级反应器内光合细菌与兼性厌氧菌处于共生状态，二级反应器内光合细菌与亚硝酸细菌处于共生状态。一级反应器内光合细菌有充分的小分子有机酸可降解并形成二次酸化，在二级反应器内完成进一步降解。结合反应条件：温度，pH，DO和基质浓度等，将二级反应器内硝化反应控制在亚硝化阶段，有效地保证了废水中碳源的利用。稳定运行了60 d，结果显示，出水COD和NH₃-N浓度分别为105～135 mg/L和14～20 mg/L，去除率分别稳定在90.3%～92.5%和92%～95%。TN去除率稳定在83%～86%。酚、氰化物和BOD5的去除率均在95%以上。     

MFC强化同步短程硝化反硝化工艺的启动

微生物燃料电池(MFC)可在阴极实现反硝化、短程反硝化和同步硝化反硝化并产生电能,但在MFC阴极实现同步短程硝化反硝化的研究尚未见到报道。为了探讨MFC阴极同步短程硝化反硝化工艺的性能,将双室曝气阴极MFC与A/O脱氮工艺结合处理人工模拟低碳氮比废水。通过静置运行15 d使得MFC阴极室亚硝态氮得以积累,氨氧化菌得以富集。随即改为连续运行后第21天成功启动同步短程硝化反硝化MFC;阴极出水氨氮浓度为0.3 mg/L,亚硝态氮浓度为15.9 mg/L,硝态氮浓度为0.6 mg/L,亚硝化率达到95%以上,阴极电极自养反硝化去除率达到50%以上,COD去除率达到85%以上。结果表明,将MFC与同步短程硝化反硝化工艺结合,通过阴极室中氧气得电子获得高p H,可以强化同步短程硝化反硝化工艺,完成生物脱氮的同时回收电能,并具有减少外加碱度的优势。     

电极面积对无质子交换膜微生物燃料电池协同去污能力的影响

以间距是180μm的不锈钢网为电极,构建了单室型无质子交换膜微生物燃料电池(MFC)污水处理系统。分别驯化、培养厌氧消化菌和反硝化菌,厌氧消化菌在阳极附着成膜组成生物阳极氧化去除有机污染物,反硝化菌在阴极附着成膜组成生物阴极反硝化去除含氮污染物,研究了电极面积对污染物协同去除能力的影响。当电极面积为45 mm×100mm和45 mm×50 mm时,两系统的开路电压最大值分别为(182.8±6.2)mV和(161.8±5.4)mV,COD、NH4+-N和NO3--N最大去除率分别为96.5%、99.7%、99.7%和85.4%、92.2%、97.9%;出水中NO2--N的含量分别低于(0.072±0.006)mg/L和(0.084±0.008)mg/L。这表明电极面积大的系统具有较好的有机污染物和含氮污染物协同去除能力。     

连续流砂过滤器深度处理市政污水的中试研究

采用好氧/缺氧连续流砂过滤器中试实验研究深度处理北京某污水处理厂二级出水。实验结果表明,当连续流砂过滤器好氧段聚合氯化铝投量为20 mg/L,缺氧段碳源投量为32 mg/L时,COD、NH+4-N、TN和TP的平均去除率分别为34.77%、86.54%、66.94%和84.10%,最终出水均达到北京市新(改、扩)建城镇污水处理厂排放A标准(DB11/890-2012)。克隆文库法分析石英砂表面生物膜中的细菌群落结构表明,其优势菌群为β-proteobacteria,其中大部分能以废水中碳源为电子供体还原硝酸盐。     

阴极液及底物浓度对AFB-MFC同步废水处理及产电性能影响

为了提高厌氧流化床微生物燃料电池（AFB-MFC）的性能，并为双室MFC寻找价廉、易得、无污染的阴极液，在曝气量16～24 L/h、温度（35±2）℃、回流量10.2 L/h、阴极底边距阴极室内底部17.3 cm、外电阻250 Ω、水力停留时间（HRT）14.0～14.9 h以及进水pH 7.81～8.37下，研究了阴极液及底物浓度对系统产电及废水处理性能的影响。结果表明，使用缓冲溶液、阳极室出水和自来水作阴极液时，自来水的产电性能最佳，阴极液种类不影响系统有机基质的去除。以自来水为阴极液时，阴极液pH及电导率随运行时间增加而增加，COD去除率为80.11%～89.29%，输出电压及功率密度开始随运行时间增加而增加，之后稳定在440～452 mV和48.40～51.08 mW/m²之间。增加底物浓度对COD去除率影响不大，而输出电压及功率密度随底物浓度增加而下降；底物COD浓度由3 307.09 mg/L增至9 520 mg/L时，COD去除率在85.77%～94.44%之间，输出电压及功率密度则分别由449 mV和50.40 mW/m²下降至406 mV和41.21 mW/m²。自来水作阴极液可避免二次污染及阴极液对阳极室微生物的影响，并得到高的产电能力。     

底物初始浓度对光合细菌产氢动力学特性的影响

实验研究了底物初始浓度对光合细菌产氢动力学特性的影响，并对光合细菌产氢得率和初始底物转化为氢气得率进行比较，分析底物初始浓度对光合细菌产氢代谢的影响，实验发现底物初始浓度为120 mmol/L时最适合光合细菌的产氢代谢，底物初始浓度达到140 mmol/L时，光合细菌主要进行生物量合成和产酸代谢，得到各浓度梯度下的最大生物量，但对产氢代谢产生抑制作用，表明最大生物量与最大的产氢能力之间不成正比关系及光合细菌产生CO2机制与产氢机制不同；光合细菌最大比产氢活性表现在对数生长期，最大生物量出现在稳定期。实验证明，光合细菌对数生长期受底物浓度影响大，底物浓度低，最大生物量所对应的时间相对较早，底物浓度增大，最大生物量所对应的时间相对延后。     

不同氮磷浓度下2种无毒微藻的生长特性和脱氮除磷效能

根据城市二级出水水质特性,选择4种不同氮磷水平的二级出水作为培养基,研究纯培养与共培养下,椭圆小球藻(Chlorella ellipsoidea)和斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)在不同初始氮磷浓度下的生长状况及脱氮除磷的能力。结果表明,纯培养条件下,椭圆小球藻在2#(TN=15.00 mg/L,TP=1.00 mg/L)实验组中生物量最高,斜生栅藻在4#(TN=10.00 mg/L,TP=0.20 mg/L)实验组中收获最大生物量,椭圆小球藻与斜生栅藻对TP均具有70%以上去除率。共培养下,3#(TN=15.00 mg/L,TP=0.50 mg/L)实验组收获最高生物量,斜生栅藻生物量均高于椭圆小球藻,表明斜生栅藻在共培养条件下更具有生长优势,培养基中TN、TP含量分别降至5.00 mg/L和0.05 mg/L以下。2种培养模式均可达到对二级出水的深度脱氮除磷。     

双室微生物燃料电池型BOD传感器性能

构建了双室微生物燃料电池(MFC),并应用于污水BOD的检测。优化了MFC型BOD传感器的检测条件,分析了传感器进行污水BOD检测的特征。结果表明,以A2/O污水处理工艺中厌氧段污泥进行接种,双室MFC型BOD传感器2周内完成启动,所产电流达到稳定。传感器的最佳检测条件为外接电阻500Ω,添加缓冲溶液并维持待测水样pH为7.0,添加35 mg/L的L-半胱氨酸作为吸氧剂维持阳极室厌氧环境,阴极室富氧水流量为20 mL/min。利用MFC产生的电流峰值准确检测污水水样BOD浓度,传感器检测范围为10~50 mg/L,检测时间小于3 h;利用MFC产生的电荷量准确检测污水水样BOD浓度,检测范围为10~100 mg/L,检测时间小于10 h。利用MFC电流峰值和电荷量检测污水水样BOD浓度,偏差均小于15%,传感器运行稳定,寿命较长。