微生物燃料电池表观内阻的构成和测量

将微生物燃料电池内部各种阻力用表观内阻统一表征,在建立其等效电路的基础上将表观内阻分为欧姆内阻和非欧姆内阻2部分。通过稳态放电法测量微生物燃料电池表观内阻,在改变外电阻后稳定时间需要60s以上方能保证测定准确性,通过稳态放电法测定一室型微生物燃料电池的表观内阻为289?,当外电阻等于表观内阻时微生物燃料电池对外输出功率达到最大,为241mW/m2;通过电流中断法测量一室型微生物燃料电池的欧姆内阻为99?,测定结果与断电前电流强度无关;当一室型微生物燃料电池对外供电分别处于活化极化区、欧姆极化区和浓差极化区时,非欧姆电阻占总内阻的比例分别为93％、66％和75％,在电池对外供电达到最大时非欧姆占总内阻比例最低。提高微生物燃料电池产电能力需要同时降低电池的欧姆内阻和非欧姆内阻。     

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.     

2种不同结构的微生物燃料电池的产电性能比较

微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）目前仍面临着产能低和成本高的问题,因此系统比较同样条件下不同结构MFC的产电性能对于最终提高其产电效率具有重要意义.通过构建2种不同结构的MFC反应器：单室型MFC和双室型MFC,以乙酸为燃料,固定外电阻为1 000 Ω,对其产电性能进行了比较研究.结果表明,单室型MFC和双室型MFC均可稳定地输出电能,平均最大输出电压分别为600 mV和650 mV,平均运行周期分别为110 h和90 h;单室型MFC和双室型MFC的最大面积功率密度分别为113.8 mW/m²和382.4 mW/m²,最大体积功率密度分别为1.3 mW/m³和2.2 mW/m³;根据稳态放电法确定双室型MFC的内阻为188 Ω,单室型MFC的内阻为348 Ω,双室型MFC的产电性能及运行稳定性均优于单室型MFC.阳极的面积和质子通道的大小都会对MFC的库仑效率产生影响.     

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%.     

“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.     

阳极初始电势对微生物燃料电池产电的影响

在微生物燃料电池中,阳极电势会对产电菌的富集和生长产生影响.为进一步明确阳极电势的作用,确定适合微生物生长的最佳阳极电势,在微生物燃料电池的阳极室中设置附加电路以改变阳极的初始电势,考察阳极初始电势对产电微生物的影响.将阳极初始电势设为350 mV时,产电微生物的生长明显变慢.而阳极初始电势为-200 mV和200 mV时,微生物的生长速度基本相同.稳定运行后,阳极初始电势分别为350、200和-200 mV的微生物燃料电池,阳极内阻分别为71、43和80 Ω.通过变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析微生物燃料电池稳定产电前后阳极微生物群落结构,虽然3个微生物燃料电池的阳极初始电势不同,但稳定后微生物群落结构相似,Clostridium sticklandii、Pseudomonas mendocina、Paenibacillus taejonensis在阳极的富集量最多,MFC对这3种细菌的强化富集作用最明显.     

利用玉米浸泡液产电的微生物燃料电池研究

以玉米淀粉生产过程中的浸泡液（玉米浸泡液）作为接种液和基质,利用“三合一”膜电极的单室空气阴极微生物燃料电池进行试验,采用在线监测电压和废水分析方法对产电功率和化学需氧量（COD）、氨氮进行测定,探讨高COD、高氨氮有机废水产电及废水处理的可行性.结果表明,经过94 d（1个周期）的连续运行（固定外电阻为1 000 Ω）,17 d时输出电压达到最大（525.0 mV）,稳定期最大输出功率可达169.6 mW/m²,此时电池相应的电流密度为440.2 mA/m²,内阻约为350 Ω,开路电压619.5 mV;但燃料电池电子利用效率较低（库仑效率为1.6%）;1个周期结束时浸泡液的COD去除率达到51.6%,氨氮去除率25.8%.本试验利用玉米浸泡液成功获得电能,同时对浸泡液有效地进行了处理,为其资源化利用提供新途径.     

双室MFC同时处理活性污泥及氨氮废水的研究

为了探究双室微生物燃料电池同时处理活性污泥及氨氮废水的性能及机理,利用微生物燃料电池阳极室处理活性污泥,阴极室处理氨氮废水。分析了阳极室不同灭菌与未灭菌污泥的添加比例,阴极室是否接种硝化菌及不同氨氮初始浓度下微生物燃料电池的产电特性,通过各反应器的电流密度、功率密度及极化曲线变化来分析微生物燃料电池的最佳运行条件。通过化学需氧量(COD)、氨氮、微生物群落差异化分析微生物燃料电池处理活性污泥及氨氮废水的性能。结果表明:微生物燃料电池在阳极灭菌污泥与未灭菌污泥比例为1∶10时,阳极室COD去除率均达到80%以上,此时阴极室接种硝化菌且氨氮初始浓度为50 mg/L的条件下产电效果最好,获得电流密度峰值为366.38 m A/m~2,且峰值持续时间最长;当阴极接种硝化菌时,不同的阴阳极室条件下阴极室氨氮都可以完全去除。     

电化学产电菌的分离及性能评价

利用兼性滚管法分离了折流板空气阴极微生物燃料电池(BAFMFC)A、B两格室的阳极生物膜,共获得19株纯菌.将菌株投加至无菌立方型反应器中,检验其产电特性.利用交流阻抗法测量各纯菌电池的内阻,结果显示38个电池的欧姆内阻为25Ω±5Ω,说明了各电池的产电差异来源于菌株本身的活性.其他运行条件均保持不变,在1000Ω外阻下,7株纯菌电池的输出电压在200mV以上.其中,A格室产电活性最高的菌株(A2)产生的最大电压为328mV,输出的最大功率密度为165.1mW/m2,B格室产电活性最高的菌株(B1)最大电压为241mV,最大功率密度为214.4mW/m2.原子力显微镜和脂肪酸快速鉴定表明,A2为肠杆菌科的杆菌,B1为厚壁菌门的芽孢杆菌.     

电极构型对空气阴极生物燃料电池发电性能的影响

在空气阴极生物燃料电池(ACMFC)中,从阴极扩散进入阳极的氧气能够被兼性微生物作为电子受体还原,进而导致电子损失严重.本研究利用葡萄糖作底物,对2种不同电极构型的空气阴极生物燃料电池ACMFC1和ACMFC2的功率输出和电子回收进行了比较研究.结果表明,ACMFC1的内阻为302.14Ω,阳极电位为-323mV,最大功率密度为3 070 mW/m³;ACMFC2的内阻为107.79Ω,阳极电位为-442mV,最大功率密度达到9 800 mW/m³.在间歇条件下,ACMFC2可以连续运行220h,电子回收率为30.1%;而ACMFC1只能运行不到50h,电子回收率为9.78%.因此,合理的设计空气阴极生物燃料电池电极构型可以减小内阻,增大电池电动势进而增大功率输出,提高电子回收率.     

真菌过滤塔净化含苯、甲苯废气影响因素的研究

利用2段可调温式生物过滤塔,以真菌为降解菌,研究了入口污染物浓度0.9～5.0 g/m3条件下,温度、填料湿度对苯、甲苯废气净化效率的影响.结果表明,当塔内温度在30～40 ℃时,生物塔净化能力较高;其中塔内温度32.8℃时,微生物对苯和甲苯的净化能力最高,在该温度下,当苯、甲苯入口负荷分别为673.5和665.0 g/(m3·h)时,过滤塔的最大去除负荷分别为136和150 g/(m3·h).试验研究了填料湿度对净化能力的影响,结果表明,高填料湿度不利于真菌过滤塔对苯和甲苯的净化,本试验的最佳填料湿度是45%左右,填料湿度在40%～50%范围内,过滤塔表现出较高的净化效率.随着过滤塔的运行,系统压降由挂膜前的18 Pa逐渐上升到后期的39 Pa,渗滤液的颜色也逐渐加深,表明塔内存在生物量积累的问题.     

白腐真菌生物过滤塔处理氯苯气体的研究

以竹子为填料,构建新型的白腐真菌Phanerochaete chrysosporium生物过滤塔,考察该过滤塔在不同操作条件下对氯苯的去除性能.结果表明,白腐真菌生物过滤塔对氯苯表现出较好的去除效果,在进口浓度200～1 500 mg/m3,空塔停留时间122 s的条件下,最大去除率接近80%,平均去除率约50%.过滤塔的去除速率与进口负荷和去除率有关,在进口浓度500～1 500mg/m3,流量0.5 m3/h的条件下,最大去除速率可达94 g/(m3·h),平均去除速率为60 g/(m3·h).过滤塔去除速率对进口负荷变化的响应幅度与流量有关,在低流量条件下随进口负荷的变化率较大.过滤塔中氯苯浓度的沿程分布呈现出非线性下降的特征,造成这一现象的原因可能与过滤塔内生物量的分布情况有关.     

生物炭降解苯和甲苯混合废气性能研究

该研究以生物炭为过滤介质 ,探讨过滤塔降解气流中苯、甲苯的生物降解性能 .实验表明 ,在总有机负荷低于 3 5 0 g/ (h·m3)、停留时间 1 5～ 90s的实验条件下 ,滤塔对苯和甲苯混合气体有较好的降解性能 ,苯、甲苯的最大削减能力分别为 1 2 0 g/ (h·m3)和 1 5 0 g/ (h·m3) ,甲苯比苯更易被微生物降解 .滤塔中CO2 生成量随苯、甲苯降解量的增加而增加 ,但实验增长速率小于理论增长速率 .菌落分析表明 ,滤塔中微生物主要有真菌、杆菌、芽孢杆菌 ,其中芽孢杆菌为优势菌种 .根据吸附 生物降解机理 ,建立了VOCs去除模型 ,并予以验证 .     

低温下间歇式生物过滤系统去除高负荷H2S的效能

以鸡粪堆肥和PE混合物为填料的生物过滤系统,在较低温度下进行生物去除H2S废气的性能研究.采用间歇式运行方式,当在较高气速条件下,即EBRT为39s、32s、24s和13s,入口浓度3000mg/m3时,去除率可分别达100%、100%、100%和65%.整个系统的入口负荷为812 g/(m3·h)时,去除负荷为528 g/(m3·h).且在较低的实验温度(9~16.5℃),入口浓度50~3000 mg/m3条件下,当EBRT为39s、32s、24s时,H2S的去除率为100%;当EBRT为13s时,去除率为62%~88%.结果表明,在较低温度下,高气速,高负荷条件下,间歇式生物过滤系统对H2S具有较高的去除性能.     

间歇喷淋营养液对生物滴滤塔净化甲苯的影响

为探索间歇喷淋营养液对生物滴滤塔的影响,以净化甲苯为研究对象,应用FX1N-14MR-001型可编程逻辑控制器(PLC),实现生物滴滤塔的间歇喷淋营养液操作,研究了环境温度、ρ(TN)、营养液喷淋密度和喷/停时间对净化甲苯能力的影响,并对机理进行了分析. 结果表明:当生物滴滤塔系统的气体停留时间为40.70s时,营养液最佳喷淋密度为4.5L/(m2·min),最佳喷/停时间为2min/4min. 当甲苯系统进口负荷小于88.29g/(m3·h)时,甲苯的去除率可达95.0%以上;当进口负荷为186.04g/(m3·h)时,甲苯的去除率为87.6%,系统对甲苯的最大去除能力由连续喷淋时的169.63g/(m3·h)升至248.85g/(m3·h).      

两级滴滤去除硫化氢和甲硫醇混合恶臭气体

把氧化硫硫杆菌(T. thiooxidans)、排硫硫杆菌(T. thioparus)组成的自养菌群和黄单胞菌(Xanthomonas)为主的异养菌群分别接种在两个生物滴滤反应器中,将其依次串联净化处理硫化氢(H₂S)、甲硫醇(MT)混合臭气.一级反应器(A^#)的复合自养菌在酸性环境下对负荷为7～8g/(m³h)的H₂S平均去除率可达94%,且不受混合气体中MT含量的影响.二级反应器(B^#)适于中性环境,对负荷为4～5g/(m^{3h)的MT平均去除率为83%.若H₂S在混合气体中浓度过高,经A#处理后的浓度仍高于50mg/m3,可导致后反应器酸化,使MT脱臭效率显著下降.}     

SDS提高生物滴滤床净化氯苯废气的研究

以ACOF和陶粒作为生物滤床的填料,利用P.putida净化气相中的氯苯,并将十二烷基磺酸钠（SDS）添加于生物滴滤床的喷淋液中,研究其对滤床处理氯苯废气效果的影响.微生物静态培养结果表明,当培养基中SDS浓度大于35 mg/L时,对P.putida存在明显抑制作用.在喷淋液中添加25 mg/L的SDS,有助于缩短滤床的适应期,并提高稳态下滤床的性能.对于填料为ACOF的情况,喷淋液中的SDS最优添加浓度为25 mg/L,此时滤床的最大去除负荷为234.7 g/(m³·h).喷淋液中的SDS经过5 d的运行,会有18%～20%的损失,但对滤床的性能没有明显影响.     

生物滴滤塔同步降解多组分挥发性有机物的实验研究

采用定向驯化活性污泥接种生物滴滤塔(BTF)同时处理甲苯、甲醇、丙烯酸乙酯挥发性有机化合物(VOCs)混合废气,考察BTF的长期稳定运行性能及微生物平均代谢活性.结果表明,混合气进口浓度低于910mg/m3时,BTF对VOCs混合废气总去除率可维持在80%以上,BTF可高效同步净化中低浓度VOCs混合废气;当进气负荷>120g/(m3·h)时,去除负荷趋于稳定,为100g/(m3·h)左右;CO2的生成量与混合废气的去除负荷的比值为1.731,表明BTF对此3种混合废气有较高程度的矿化;BTF对甲苯、甲醇、丙烯酸乙酯的降解行为符合Michaelis-Menten动力学模型,单位体积最大降解速率rmax分别是为90.9,50.5,58.5 g/(m3·h).平均吸光度(AWCD)值分析结果表明塔内微生物具有较高的代谢活性.     

玉米秸秆发酵浸出液模拟废水发酵产氢的放大实验研究

在20 L的半连续流发酵罐中,以牛粪堆肥为产氢菌源,按照玉米秸秆发酵浸出液的主要成分配制模拟废水,考察和分析了几个关键环境因素对发酵产氢的影响.结果表明,HRT、C/N、Fe²⁺浓度和模拟废水浓度对发酵产氢均有不同程度的影响.在本实验条件下,秸秆模拟废水的氢产量、氢浓度和产氢速率分别为11.80 mol/kg、56%和8.81 L/(L·d),底物转化率大于90%,废水中COD去除率为39.40%.在整个发酵产氢过程,液相主要发酵副产物为丁酸、乙酸和丙酸以及少量的乙醇和丁醇.     

恶臭假单胞菌生物滴滤塔净化甲苯废气的研究

在接近于工业化应用的非稳态条件下,采用恶臭假单胞菌为菌源接种生物滴滤塔,处理含甲苯废气.研究了滤塔的挂膜启动情况与稳定运行阶段抗负荷变化能力,并对滤塔内生物膜微观结构进行了观察分析.在停留时间为54 s和43.2 s,进气甲苯浓度为544～1 044 mg·m-3,环境温度为17～26 ℃的操作条件下,滤塔气体出口检测不到甲苯,最大体积去除负荷为105.35g·(m3·h)-1.结果表明,在非稳定条件下,以未经甲苯驯化筛选的恶臭假单胞菌作为菌源降解甲苯废气是可行的;稳定运行阶段滤塔具有较强的抗负荷变化能力,进气浓度与停留时间的变化不会引起处理性能的下降;通过控制营养液添加间隔可以较好地控制生物膜的快速增长;滤塔内微生物菌落发生了变化,大量微孔结构的存在证明了微孔的吸附是生物膜降解甲苯的重要前提.