厌氧流化床微生物燃料电池及其串并联性能

在高650 mm、有效容积1 280 mL的液固厌氧流化床单室无膜空气阴极微生物燃料电池(MFC)中,研究了燃料电池串并联产电和有机污水处理性能,同时考察了电极面积、活性炭装填体积、温度等因素对产电性能的影响。结果表明,将燃料电池串联,总电压等于3个单级电池的电压之和,约为2 100 mV,最大功率为0.12 mW,而单级电池最大功率为0.05 mW。并联时,输出电压为800 mV,和单级电池输出电压大体相当,而电流为单级电流的2倍。阳极面积增加1倍,产电量增大了30%;电压随活性炭装填体积的增大而增大;温度为40℃时,燃料电池的产电性能最好。     

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。     

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。     

阳极电势对MFC中产电的影响

在微生物燃料电池(MFC)中,与微生物接触的阳极自身电场环境就可能会对产电菌的生长和代谢产生重要影响,进而影响到MFC产电效能。为探索阳极电势的作用,本研究在微生物燃料电池的阳极室中通过设置附加电路来人为改变阳极电势,考察了阳极电势对MFC产电的影响。结果表明,当阳极电势在-380 mV降低到0 mV过程中,MFC输出功率提高。当阳极电势小于200 mV时,COD去除效率在60%~73%之间变化不大。较低或较高的阳极电势均可增加电池的库伦效率。阳极电势处于-380 mV到0 mV下,厌氧微生物主要以丙酸型发酵为主,产生大量乙酸;COD的分解和利用是分阶段进行的。不同阳极电势下MFC内阻变化主要受浓差内阻影响。阳极电势为-200 mV时欧姆内阻最低,但电化学活性较高。     

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。     

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。     

非缓冲微生物燃料电池运行性能及无机碳积累

考察了不同乙酸钠浓度下非缓冲微生物燃料电池(BLMFC)的运行性能和无机碳(IC)(HCO_3~-或H_2CO_3)积累情况。结果表明:阳极液中IC的积累浓度与乙酸钠浓度呈线性相关,在乙酸钠浓度为0.5 g·L~(-1)和1.0 g·L~(-1)的BLMFC体系中,IC积累浓度分别为8.02 mmol·L-1和13.60 mmol·L~(-1),阳极液出现酸化现象,pH降低至6.2和6.5;体系输出电压(U)与阳极液pH出现相同的先下降后上升的变化趋势,体系最大功率密度(P_(max))分别为242 mW·m~(-2)和428 mW·m~(-2)。当乙酸钠浓度增大到2.0 g·L~(-1)和3.0 g·L~(-1)时,IC积累浓度增加到30.64 mmol·L~(-1)和42.42 mmol·L~(-1);乙酸盐自身的缓冲作用和体系积累的较高浓度IC可以将阳极液pH维持在7.4～8.5,输出电压稳定在350 mV左右;P_(max)增大到668 mW·m~(-2)和699 mW·m~(-2),可以实现自缓冲稳定运行。     

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。     

碳毡和碳布2种生物阴极材料微生物燃料电池产电性能

为了降低构建微生物燃料电池(MFCs)的成本,比较了以碳毡和碳布作为阴极材料,在阴极利用功能微生物作为催化剂时电池的产电性能。结果表明,两电池启动时间基本相同,20 d左右达到稳定,但稳定期碳布作阴极的电池电压比碳毡作阴极的电池电压高出了60 mV左右。碳毡和碳布作阴极时,电池在10 d和20 d的最大功率密度分别由10.24和11.14 mW/m2提升到了18.18和30.15 mW/m2,相应内阻则分别由1 000和600Ω降到了250和200Ω。循环伏安法(CV)显示两材料单独做电极时氧化还原情况相似,扫描电镜(SEM)观察到两者不同表面特性导致碳毡对污泥附着强于碳布,进而使氧气传递受到限制,产电降低。     

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。     

微波预处理污泥上清液为燃料的微生物燃料电池的影响因素研究

以微波预处理的剩余污泥上清液做为燃料,经过30 d成功地启动了单室无膜燃料电池.考察了可能影响输出功率密度的相关因素.结果表明,电池阳极面积越大,输出功率密度反而越小.阴阳极距离从5 cm缩小到0.5 cm时,输出功率密度先增加后降低,在距离为2 cm时,输出功率密度达到最大值282.7 mW/m2,说明阴阳极距离过近...     

碳纤维毡表面改性对微生物燃料电池性能的影响

研究以碳纤维毡为阳极，采用不同的表面改性方式对微生物燃料电池（MFC）产电效率的影响，并通过塔菲尔曲线（Tafel）和慢速扫描循环伏安法（SSCV）研究了碳纤维毡表面经不同改性处理后作为阳极的电化学行为。结果表明．碳纤维毡经丙酮浸泡（CZ—C）和热处理（CZ-H）后，最大输出功率从763mW／m2上升到896mW／m2，提高了17％；电化学测试证实碳纤维毡热处理后阳极交换电流密度提高，且氧化峰电位正移、峰电流增大。     

Production of electricity from proteins using a microbial fuel cell.

Electricity generation was examined from proteins and a protein-rich wastewater using a single chamber microbial fuel cell (MFC). The maximum power densities achieved were 354 +/- 10 mW/m2 using bovine serum albumin (BSA) and 269 +/- 14 mW/m2 using peptone (1100 mg/L BSA and 300 mg/L peptone). The recovery of organic matter as electricity, defined as the Coulombic efficiency (CE), was comparable to that obtained with other substrates with CE = 20.6% for BSA and CE = 6.0% for peptone. A meat packing wastewater (MPW), diluted to 1420 mg/L chemical oxygen demand, produced 80 +/- 1 mW/m2, and power was increased by 33% by adding salt (300 mg/L sodium chloride) to increase solution conductivity. A wastewater inoculum generated 33% less power than the MPW inoculum. The MFC was an effective method of wastewater treatment, demonstrated by >86% of biochemical oxygen demand and total organic carbon removal from wastewater.     

不同阴极对微生物燃料电池产电性能的影响比较

阴极催化性能及材料对微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs)的产电特性及制造成本有很大影响。本研究选用金属铂(Pt)、活性炭作为催化剂、聚四氟乙烯(PTFE)和道康宁1-2577作为阴极的扩散层、碳布和不锈钢网作为阴极的基体材料制备得4种阴极,分别考察了相应MFC的产电性能和阴极特性。结果表明,采用传统Pt催化剂+PTFE扩散层+碳布制备成的阴极(Pt-PTC),MFC的最大输出电压为560 mV,最大功率密度为808 mW/m2,而采用活性炭+道康宁1-2577+不锈钢网制备成的阴极(AC-DCS),MFC的最大输出电压为510 mV,最大功率密度为726 mW/m2,两者的MFC产电性能极为接近。SEM结果表明,活性炭催化层表面和道康宁1-2577扩散层分别比Pt催化层及PTFE扩散层的更均匀光滑。阴极线性伏安测定结果表明,AC-DCS与Pt-PTC的电化学氧化性能较为接近。AC-DCS阴极成本仅为Pt-PTC的1/300左右,是一种低成本扩大化生产MFC阴极的新方法。     

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%。     

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。     

Simultaneous bioelectricity generation and decolorization of methyl orange in a two-chambered microbial fuel cell and bacterial diversity

The objectives of this study were to investigate the simultaneous bioelectricity generation and decolorization of methyl orange (MO) in the anode chamber of microbial fuel cells (MFCs) in a wide concentration range (from 50 to 800 mg L^?1) and to reveal the microbial communities on the anode after the MFC was operated continuously for more than 6 months using MO-glucose mixtures as fuel. Interestingly, the added MO played an active role in the production of electricity. The maximum voltage outputs were 565, 658, 640, 629, 617, and 605 mV for the 1 g L^?1 glucose with 0, 50, 100, 200, 300, and 500 mg L^?1 of MO, respectively. The results of three groups of comparison experiments showed that accelerated decolorization of methyl orange (MO) was achieved in the MFC as compared to MFC in open circuit mode and MFC without extra carbon sources. The decolorization efficiency decreased with an increase of MO concentration in the studied concentration range for the dye load increased. A 454 high-throughput pyrosequencing revealed the microbial communities. Geobacter genus known to generate electricity was detected. Bacteroidia class, Desulfovibrio, and Trichococcus genus, which were most likely responsible for degrading methyl orange, were also detected.     

Increasing the recovery of heavy metal ions using two microbial fuel cells operating in parallel with no power output

The present study aimed to improve the performance of microbial fuel cells (MFCs) by using an intermittent connection period without power output. Connecting two MFCs in parallel improved the voltage output of both MFCs until the voltage stabilized. Electric energy was accumulated in two MFCs containing heavy metal ions copper, zinc, and cadmium as electron acceptors by connection in parallel for several hours. The system was then switched to discharge mode with single MFCs with a 1000-Ω resistor connected between anode and cathode. This method successfully achieved highly efficient removal of heavy metal ions. Even when the anolyte was run in sequencing batch mode, the insufficient voltage and power needed to recover heavy metals from the cathode of MFCs can be complemented by the developed method. The average removal ratio of heavy metal ions in sequencing batch mode was 67 % after 10 h. When the discharge time was 20 h, the removal ratios of zinc, copper, and cadmium were 91.5, 86.7, and 83.57 %, respectively; the average removal ratio of these ions after 20 h was only 52.1 % for the control group. Therefore, the average removal efficiency of heavy metal ions increased by 1.75 times using the electrons stored from the bacteria under the open-circuit conditions in parallel mode. Electrochemical impedance data showed that the anode had lower solution resistance and polarization resistance in the parallel stage than as a single MFC, and capacitance increased with the length of time in parallel.