光合产电微生物群落构建及光照培养对其产电性能的影响

采用淡水沉积物为接种来源,培养出光合产电微生物群落。将其与藻阴极联用组建了完整的光合作用微生物燃料电池时,功率密度达到(157.5±3.1)m W/m2。采用循环伏安法及电化学阻抗谱对该群落的电化学性能进行了测试。PCR-DGGE及紫外可见吸收光谱分析显示,该群落含有Ectothiorhodospiraceae科及Chloroflexi门不产氧光合细菌、产电菌Arcobacter butzleri、发酵细菌及其他细菌。对该群落进行长期黑暗培养或长期光照培养时,其产电性能均得到了提高,但功率密度测试显示,光照培养微生物燃料电池最大功率密度为(180.1±8.7)m W/m2,高于黑暗培养的微生物燃料电池(160.7±11.4)m W/m2。电化学测试也显示,光照培养的阳极产电性能优于黑暗培养的阳极。     

生物质活性炭纤维笼电极微生物燃料电池产电性能

首次构建了以生物质活性炭纤维笼电极为空气阴极的微生物燃料电池(biomass activated carbon fiber cageshaped air-cathode microbial fuel cell,BACFC-ACMFC),并以厌氧污泥接种,以葡萄糖作为碳源,研究了该MFC在连续运行条件下的产电性能、电池内阻情况和最优运行条件。结果表明:在一个运行周期内,该MFC最佳运行条件为:体积浸没比为50%、p H=8、污泥投加量为1.8 g·L-1。当外接电阻为1 000Ω时,该MFC最大输出电压为257.89 m V,最大输出功率密度为4 082.99 m W·m-3,电池内阻为419.88Ω,与目前其他阴极材料的微生物燃料电池相比,该新型生物质活性炭纤维笼空气阴极微生物燃料电池功率密度较高,内阻较低。SEM分析可知,阴极具有较大的比表面积和孔隙率,有利于与氧气的充分接触。在浸入溶液中的半面阴极上发现大量微生物附着,这可能和氧气还原有关。     

垃圾渗滤液-沉积污泥微生物燃料电池的产电性能

采用单室沉积型微生物燃料电池(SMFC)处理垃圾渗滤液与沉积污泥,考察电池的产电性能及污染物去除效果。SMFC输出电压呈周期性变化趋势,最大输出电压251 m V,最大功率密度为10.35 mW·m~(-2),功率密度随电流的增加先增大后减小,燃料电池内阻为2 653Ω。COD、氨氮去除率分别达96.18%和80.60%。SMFC的平均输出电压随污染物的降解呈波浪型上升趋势。MLSS、MLVSS去除率分别为24.40%和30.32%。实验结束后,MLVSS/MLSS的比值由0.70降至0.65,在SMFC产电过程中,污泥中的有机物得到有效降解。因此,SMFC可实现污水净化、污泥减量及产电一体化的效果。     

微生物燃料电池在高盐榨菜废水处理中的产电性能

基于双室微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs),以高盐榨菜废水为燃料,考察了电池的运行状况,同时探讨了盐度变化对电池产电性能影响,并通过投加甜菜碱研究其对MFCs系统抵抗盐度负荷冲击能力的影响。结果表明:MFCs稳定运行时(阳极室容积80 m L),最大功率密度、开路电压和电池内阻分别为3.55 W·m-3、0.698 V和427Ω;底物中添加2 mmol·L~(-1)甜菜碱后电池产电性能得到明显提升;当废水含盐量(增加到5 g·L~(-1)Na Cl)为31.2 g·L~(-1)时电池产电性能达到最佳,但是继续增高盐度后电池产电性能会急剧下降;投加甜菜碱有助于提高系统抵抗盐度负荷变化造成的冲击,维持电池的产电输出。     

人工湿地型微生物燃料电池处理啤酒生产废水

采用人工湿地型微生物燃料电池处理啤酒生产废水,考察了啤酒生产废水中不同COD浓度条件下(475、1 968、5 640 mg·L~(-1))人工湿地型微生物燃料电池对COD和氨氮的去除效果,评估了在此过程中微生物燃料电池的产电性能。研究表明,当COD浓度为1 968 mg·L~(-1)时,人工湿地型微生物燃料电池对COD的去除率最高,达到93.5%;氨氮去除率随COD起始的增加而增加,当进水浓度为5 640 mg·L~(-1)时,氨氮去除率达到70.8%。对产电性能而言,当进水COD浓度为1 968 mg·L~(-1)时,人工湿地型微生物燃料电池产电量最高,其最大电压、功率密度和电流密度分别达到280 mV、24.2 mW·m~(-2)和220 mA·m~(-2)。利用人工湿地型微生物燃料电池处理啤酒生产废水具有一定的可行性,在处理污染物的同时产电,弥补了处理过程中的能源消耗,对废物资源化具有很好的应用前景。     

脱氮副球菌YF1微生物燃料电池生物阴极脱氮和产电

以脱氮副球菌YF1构建纯种生物阴极微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)进行脱氮和产电机理的研究。研究结果发现,阴极碳氮比、pH值对产电和脱氮效率有明显影响。当MFC的阴极运行条件pH值为8.0,碳氮比为20时,运行时间15 h时,脱氮率高达100%,输出电压为150 mV。上述结果表明,微生物燃料电池运行过程中,细菌降解硝酸根的机理为将硝酸根还原为N2或者直接将其作为自身的营养物质而利用。循环伏安(CV)与扫描电镜(SEM)的结果表明,在微生物燃料电池运行中,副球菌YF1通过接触导电作为产电的电子供体。     

剩余污泥微生物燃料电池的产电性能及有机物降解与阳极生物分析

构建了以二沉池剩余污泥厌氧发酵上清液为阳极底物的微生物燃料电池(MFC),考察了电池的产电性能、污染物去除效率及阳极微生物种群特征。结果表明,厌氧发酵污泥MFC作为污泥资源化的一种新途径,具有可行性。在厌氧发酵的预处理条件下,MFC体系稳定运行期间输出电压最高可达0.65 V,最大功率密度达86.89 m W·m~(-2),库伦效率为(5.12±0.5)%;与此同时TCOD去除率为(50.6±3.5)%。污泥在厌氧发酵阶段产生大量挥发性脂肪酸(VFAs),它们作为产电微生物易于摄取的阳极底物,能够促进污泥中有机质的去除,进而提高污泥MFC的产电效果。由阳极微生物群落结构可推断:产电和非产电细菌具有协同作用,共同维持MFC的稳定运行。     

微生物燃料电池藻阴极性能比较及膜污染分析

为考察藻种类及阴极材料对藻阴极型微生物燃料电池性能的影响,以微藻及水绵为阴极生物,分别采用碳毡,碳纸,载铂碳纸为阴极材料,构建了微生物燃料电池。结果显示,以碳毡作为阴极材料时,2种藻阴极微生物燃料电池最大功率密度均高于以碳纸为阴极材料时相应的功率密度。采用载铂碳纸为阴极材料、天然湖水为阴极液,微生物燃料电池最大功率密度分别达到165.1 m W/m2(微藻阴极)和119.9 m W/m2(水绵阴极)。电化学测试表明,藻类生长形态影响了阴极的电化学特征,进而影响到了微生物燃料电池的性能。藻阴极MFC长期运行时,膜污染是藻阴极微生物燃料电池功率密度下降的关键因素之一。SEM-EDS分析显示,膜两侧污染主要原因分别是微生物生长和磷酸盐晶体沉积。     

含固率和电极间距对牛粪发酵产电性能的影响

随着能源短缺和环境污染等问题的日益严重,农业废弃物资源化利用引起了广泛关注。为了从牛粪等农业生产废弃物中获取新能源,减少农业固体废物对环境的污染,研究了含固率和电极间距对牛粪发酵产电性能的影响,分析了产电过程中电压、电流、功率密度、挥发性脂肪酸VFA和COD等指标的变化规律。结果表明,含固率对牛粪发酵产电性能影响较大,电极间距影响较小。在碳氮比(C/N比)为18,含固率为1%,电极间距为2.5 cm时,产生的电压最高可达0.79 V,电流最高可达0.58 m A,功率密度幅值高达398 m W/m2,发酵产电结束后VFA增加了250%,COD去除率超过了80%。     

稳恒磁场作用下微生物燃料电池的产电特性和电化学阻抗谱分析

对混合菌接种的双室微生物燃料电池加载磁场强度为175 mT的稳恒磁场,利用电化学交流阻抗等电化学分析方法,考察了在磁场作用下微生物燃料电池（MFC）产电性能的变化,分析了磁场对MFC各部分内阻的影响。加载磁场使已启动完成的MFC的产电明显增强,开路电压提高了10%。加载磁场后最大功率密度为2.08 W/m2,大于加载前的1.58 W/m2,表观内阻由170Ω降至80Ω。电化学阻抗谱分析确定了阳极、阴极和全电池的等效电路模型,拟合结果发现阳极极化内阻约为5Ω。加载磁场使MFC的阴极极化内阻由74.98Ω降至56.73Ω。     

混合酶强化剩余污泥微生物燃料电池性能

为了提高剩余污泥为燃料的微生物燃料电池(SMFC)产电性能以及污泥减量化效果,在不同的温度(40、45和50℃)研究单室无膜微生物燃料电池中酶对SMFC产电特性的强化效果.加入单一酶(蛋白酶或α-淀粉酶)的结果表明,随着温度的上升,SMFC功率密度均上升,但40℃时强化效果最明显,与加入失活酶的对照组相比分别增加198％和130％.在40℃下,混合酶比(蛋白酶浓度:淀粉酶浓度)为2∶3时,SMFC最大功率密度为776 mW/m2.随着混合酶中淀粉酶的比例提高,SMFC库伦效率逐渐增加,当混合酶比为4∶1时,CE(库伦效率)可达18.3％,同时TCOD、TSS和VSS去除率分别为70.3％、66.7％和80.4％.因此,温度相对较低时,外加酶强化效果更明显;与单种酶相比,混合酶对SMFC产电性能和污泥减量化的强化效果更显著.     

以养殖废水为底料的微生物燃料电池产电性能与水质净化效果

以养殖场沼泥为接种物,构建了乙二胺、三氯化铁改性碳毡阳极的单室无膜微生物燃料电池,探讨了2种阳极改性电池的产电规律,考察了其去除养殖废水中COD、氨氮的效果以及臭味的表观性状变化。结果表明,以葡萄糖为底物时,乙二胺、三氯化铁改性阳极微生物燃料电池在启动20 d和22 d后分别达到稳定,输出电压分别为0.514 V和0.527V(外阻为500Ω),对应输出功率密度分别为332 mW/m2和349 mW/m2。逐渐增大废水投加比例至原水时,2个电池的最大功率密度分别为208 mW/m2和158 mW/m2,COD去除率分别为85%和78%,氨氮去除率分别为52%和45%。此外,养殖废水的臭味去除效果明显。因此,构建的2种改性阳极微生物燃料电池可以利用养殖废水产电,同时使水质得到一定程度的净化。     

高盐废水MFCs不同阴极电子受体产电及微生物群落分析

为探查不同电子受体产电性能及对阳极微生物群落的影响,研究了3种电子受体(铁氰化钾、曝气阴极、过硫酸钾),构建了双室榨菜废水微生物燃料电池系统(microbial fuel cells,MFCs),实现了污水处理和能量回收的双重目的,探讨了不同电子受体(铁氰化钾、曝气阴极、过硫酸钾)对榨菜废水MFCs产电性能及阳极微生物群落的影响。结果表明:在产电性能方面,当过硫酸钾作为阴极电子受体时,电池输出电压、库仑效率、功率密度均优于另外2种常用阴极电子受体(铁氰化钾和氧气);在500Ω的外接电阻间歇运行的条件下,其输出电压、库仑效率、功率密度分别为802 mV、(33±1.6)%、697 mW·m~(-2)。阳极生物16S rRNA基因测序分析表明,水解发酵菌为榨菜废水微生物燃料电池阳极核心菌群,铁氰化钾、氧气和过硫酸钾MFCs阳极微生物菌群相对丰度分别为64.3%、63.6%和75.51%,包括Lentimicrobium、Synergistaceae、Sphaerochaeta、Anaerolineaceae、Draconibacteriacea菌属。阴极电子受体不同的MFCs的阳极微生物群落核心菌群类似,但是丰度有所不同。势差较大的电子受体(过硫酸钾)微生物群落多样性和丰富度较高,产电和污染物去除效果较好。     

炼油废水微生物燃料电池启动及影响因素

以炼油废水为碳源,构建双室填料型微生物燃料电池,考察接种液、外接电阻等电池启动条件,以及电导率、pH值和缓冲溶液强度等溶液性质对电池产电性能的影响。利用微生物燃料处理炼油废水,COD去除率(52±4)%,含油量去除率(81.8±3)%;利用废水中存在的原生菌即可启动电池,但启动期长,外加接种液可快速启动电池;启动时外接电阻的大小对电池稳定运行后的输出功率有明显影响,对电池内阻影响相对较小,当启动外接电阻为2 000Ω,电池输出功率最大,为288 mW/m3;随阳极溶液电导率电池增大,电池内阻降低,输出功率升高;pH值变化对电池阳极电势影响较大,进而影响电池输出,当溶液pH为9时,电池输出电压最大(388 mV),pH过高或过低均不利于电池产电;随着缓冲强度的增大,电池输出电压增大,且PBS缓冲强度的增大可从电导率增大和改善质子传递条件两方面提高电池的输出功率。     

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。     

填充竹炭对微生物燃料电池性能的影响

微生物燃料电池(MFC)的阳极对提高MFC产电性能有至关重要的影响。利用竹炭比表面积大、吸附能力强等特性,将其作为"三合一"膜电极MFC的阳极填充材料,通过增大阳极比表面积来提高其产电能力。实验结果表明,加入竹炭至阳极室后,MFC最高输出电压(外接电阻1 000Ω时)由0.280V增大到0.387V,提高了38.2%,并且输出电压更加稳定;而最大功率密度也由原来的0.22W/m3增大到1.42W/m3,同时内阻降低了80.85%(由235Ω降为45Ω);库仑效率由15.0%增大到25.6%。说明MFC阳极室填充竹炭可以显著促进MFC的产电性能。     

磷酸活化石墨的氧还原特性以及用于微生物燃料电池阴极

研究了磷酸活化对石墨电极上氧还原反应的影响,并考察了磷酸活化石墨材料应用于微生物燃料电池阴极的可行性。首先以循环伏安和电化学阻抗谱等电化学方法考察了经磷酸活化的石墨材料的氧还原能力,发现经质量分数为85%磷酸活化12 h后其氧还原能力最强;然后将活化石墨材料应用于微生物燃料电池的阴极,进行极化曲线和功率密度曲线的测定。结果表明,磷酸活化阴极微生物燃料电池的最大功率密度可达7.92 W/m3,为未活化石墨阴极微生物燃料电池的3.4倍;同时进行了电化学比表面积的测定及FTIR的分析测定,结果表明,磷酸活化石墨颗粒的比表面积(7.716m2/g)较未活化颗粒(10.940 m2/g)略有减小,但其表面官能团的数量和种类发生了很大变化。表面官能团的变化可能是导致石墨材料氧还原能力增强及MFCs产电性能提高的重要原因。     

MnO_2-r-GO阳极对微生物燃料电池产电性能的影响

考察了MnO_2-r-GO阳极对微生物燃料电池(MFC)的产电性能和体系有机质去除率的影响。实验结果表明,MnO_2-r-GO极的电荷转移内阻(Rct)由145.9Ω降低到14.8Ω。运行稳定后,MnO_2-r-GO阳极体系与空白碳布阳极体系相比,输出电压由200 m V增大到550 m V;最大功率密度(Pmax)由192.2 m W·m-2增大到761.4 m W·m-2,表观内阻由424.6Ω降低到141.4Ω;体系的COD去除率由83.6%增大到89.6%,库伦效率(CE)由19.8%增大到39.5%。     

加入多孔球形颗粒微生物燃料电池的性能研究

设计了一个典型的双室微生物燃料电池,并考察了在阳极室加入多孔球形颗粒条件下对人工合成污水产电性能的影响。实验发现,加入多孔球形颗粒后,最高电压从不加颗粒的253 mV提高到280 mV,持续产电时间从5.5 d提高到8 d,COD去除率从78%提高到82.6%。进一步的实验发现,加入多孔球形颗粒后,系统内阻从286Ω降低到199.4Ω,最大功率密度从78.6 mW/m2提高到114.3 mW/m2。结果表明,微生物易于在多孔球形颗粒上附着和生长,颗粒通过均匀搅拌与阳极表面产生持续碰撞,有利于胞外电子传递到阳极,这一过程大大减小阳极的内阻,增大电池的输出电压进而增大输出功率,从而显著提高电池的产电性能。     

一株光合细菌的分离鉴定及其产电特性

采用光照富集及厌氧划线法从污水厂二沉池活性污泥分离到一株光合细菌YC-1,结合菌落特征、细胞形态、活细胞吸收光谱及16S rRNA基因序列分析等对其进行了分类学鉴定,并研究了YC-1在不同光源照射下的产电性能。结果表明,该菌为短杆状,有鞭毛,菌落呈淡粉色,含有大量细菌叶绿素a,16S rRNA基因序列与Rhodopseudomonas palustris DX-1相似度为99%,属于假单胞菌属(Pseudomonas sp.);双室微生物燃料电池的阳极室接种YC-1,并以乙酸钠为底物,铁氰化钾作为阴极电子受体,外载为1 000Ω时,电池稳定运行时输出电压为0.58 V,且输出电压不受光源光谱影响。