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.     

阳极材料对6 L微生物燃料电池性能及有机废水处理效果的影响

阳极材料是影响微生物燃料电池实用化的关键因素之一.本文以碳刷、碳布或石墨毡阳极和泡沫镍空气阴极制成紧凑式6 L单室双空气阴极微生物燃料电池(MFC),研究不同阳极材料对电池启动过程和运行以乙酸钠为基质的人工废水和实际屠宰废水的产电性能和废水处理效果的影响,比较了单位阳极成本的产电效益.结果表明:阳极材料对紧凑式MFC的启动过程没有明显影响;在产电性能方面,碳刷阳极MFC在人工废水和屠宰废水中的输出功率密度最高,分别为(56.3±1.8)W·m~(-3)和(19.5±0.8)W·m~(-3),其次为碳布阳极MFC,分别为(46.0±1.7)W·m~(-3)和(16.9±0.6)W·m~(-3),最差的是石墨毡阳极MFC,分别为(40.8±1.5)W·m~(-3)和(11.9±0.5)W·m~(-3);在废水处理效果方面,不同阳极MFC在运行人工废水或屠宰废水时COD去除率没有明显差别,均在90%左右.碳刷阳极MFC所产生的经济效益最高,在运行乙酸钠和屠宰废水时分别为(3.44±0.08)m W·元-1和(0.97±0.05)m W·元-1,分别比碳布MFC和石墨毡MFC高18.6%、12.8%和38.7%、80%.本研究结果说明碳刷是微生物燃料电池实用化过程中最合适的阳极材料.     

牛粪混合液微生物燃料电池长期运行稳定性研究

长期运行稳定性是微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs)技术的一项重要特征,是其能否走向实际应用的关键.生物阴极MFC利用牛粪产电的长期运行特征的研究表明,该MFC可长期、高效、稳定地产电.在100Ω外电阻下,171 d的运行期内,电池功率密度平均为6.77 W·m-3±2.11 W·m-3.第70 d的电池开路电压、内阻、最高功率密度分别为0.874 V、22.1Ω和14.1 W·m-3.随着运行时间延长,每30 d的总化学需氧量(total chemical oxygen demand,TCOD)去除量不断递减,而库仑效率(Coulomb efficiency,CE)不断递增,在121~150 d,CE可达17.5%±3.3%.阳极微生物群落结构分析表明,Proteobacteria(45%)、Bacteroidetes(22%)、Firmicutes(17%)、Actinobacteria(11%)在阳极生物膜中占有优势地位.Clostridium、Cellulomonas等已被证明具有产电能力或纤维素降解能力的细菌是阳极生物膜中的关键功能种群.     

微生物燃料电池利用甘薯燃料乙醇废水产电的研究

利用空气阴极微生物燃料电池(MFC)处理甘薯燃料乙醇废水,以COD为5000mg/L的废水做底物,获得的最大电功率密度为334.1mW/m2,库仑效率(CE)为10.1%,COD去除率为92.2%.实验进一步考察了磷酸缓冲液(PBS)浓度和废水浓度对MFC产电性能的影响.PBS含量从50mmol/L增加到200mmol/L,MFC输出的最大电功率密度提高了33.4%,CE增加26.0%,但PBS对废水的COD去除率影响不大.含50mmol/LPBS的废水COD从625mg/L增加到10000mg/L,COD去除率和MFC输出的最大电功率密度在废水浓度为5000mg/L处均获得最大值,但CE值有降低的趋势,从28.9%变化至10.3%.这些结果表明,MFC可以在处理甘薯燃料乙醇废水的同时获得电能;增大PBS浓度能提高MFC的产电性能;MFC输出的最大电功率密度随废水COD增加而增大,但废水浓度过高会引起酸化使MFC产电性能下降.     

双圆筒型微生物燃料电池处理有机废水的应用

文章研究设计了一个无介体的双筒型微生物燃料电池,并利用该电池对猪场模拟废水和实际废水进行处理。文章较为系统地研究了DCMFC的启动特性,并对该过程中COD处理效率和产电能力等各项指标进行了评估与分析。结果表明,DCMFC处理模拟猪场废水和实际废水均能得到较好的效果,COD处理效率分别达77.83%和73.26%,库仑回收率分别达18.89%和21.49%,电池效率分别达39.84%和53.36%,输出功率分别达3.58 mW(143.2 mW/m)2和4.36 mW(174.4 mW/m)2,并获得了30Ω左右的较小内阻值。猪场模拟废水的底物COD去除率和COD浓度随时间变化的规律可以用ExpDec1模型来进行描述,拟合相关系数分别达0.993 28和0.976 56。同样实际猪场废水的底物COD去除率和COD浓度随时间变化的规律也可以用ExpDec1模型来进行描述,拟合相关系数分别达0.996 83和0.997 82。对DCMFC进行极化曲线测试中,该装置可获得最大输出功率3.8 mW(PA=152 mW/m2,I=9.75 mA),拟合开路电压E=704.67 mV,内阻Ri=31.91Ω。。     

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.     

高浓度苯酚的MFC降解及产电性能

以铁氰化钾溶液作为电子受体,在阴阳两极室中分别填充石墨颗粒的基础上构建了填料型微生物燃料电池(Microbial Fuel cell,MFC),研究了苯酚为单一燃料和苯酚 葡萄糖为混合燃料条件下MFC的产电特性以及对苯酚和COD的去除效果.在1OOOΩ外电阻条件下,1000mg·L-1苯酚为单一燃料运行时,MFC在苯酚去除率达到约90%时输出电压达到最大值,最大输出电压为540mV,产电曲线存在单一极大值;以1000 mg·L-1苯酚 500 mg·L-1葡萄糖为混合燃料运行时,最大输出电压可达657mV,产电曲线存在2个峰值,第1峰值和第2峰值出现时对应的苯酚去除率分别约为20%和90%.混合燃料运行条件下,前后2个产电峰值出现时MFC的最大体积(面积)功率密度分别为28.3w·m-3(342.OmW·m-2)和12.6 w·m-3(152.2mW·m-2),内阻分别为194Ω和246Ω.在2种燃料情形下,MFC对苯酚和COD的去除率均可在60h之内分别达到95%和90%以上.试验结果表明,MFC能够利用高浓度苯酚作为燃料,在实现高效降解的同时稳定地向外输出电能,这为酚类难降解有机物的高效低耗处理提供了新的研究思路.     

高锰酸钾对牛粪微生物燃料电池长期产电性能的影响

为探讨KMnO₄用作阴极电子受体对牛粪长期发酵产电性能的影响,构建了以牛粪为主要底物的双室微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）,考察了50,200,800mg/L KMnO₄时牛粪MFC开路电势、输出电压、功率密度、有机底物变化及降解情况.结果表明：当KMnO₄为800mg/L（MFC-800）时产生的开路电势和输出电压最高,分别达到1148mV和234mV,最大功率密度达177mW/m³,库伦效率和净产能最大,分别为18%和19.5MJ/t;电池运行203d后,MFC-800的COD去除率最高,达68.1%;在电池运行过程中,MFC-800的VFA浓度增加了3.5倍,达388mmol/L;pH值从7.25下降到5.71下降了1.54;产电结束后,阳极发酵固态剩余物的成分符合《有机肥料》（NY525-2012）标准,可用于有机肥料生产.     

微生物燃料电池改性阳极处理PTA废水

探讨了不同改性阳极对微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)产电性能及其对MFC处理难降解废水能力的影响.以单室空气阴极为基础,利用0.1 g电气石、质量分数75%二氧化锰/埃洛石纳米管(manganese bioxide/halloysite nanotube,MnO_2/HNT)和多壁碳纳米管-羧基(multi-walled carbon nanotube-carboxyl,MWCNT-COOH)对MFC阳极进行修饰.结果表明,不同改性阳极的MFC对含精对苯二甲酸(purified terephthalic acid,PTA)废水的去除率均高于70%,且化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率在79%以上.相较于其他几种改性阳极,以MWCNT-COOH改性材料作阳极的MFC产生的最大输出电压最高,获得的最大功率密度最高,分别为529 mV和252.73 mW·m~(-2).     

单室型微生物燃料电池处理黄姜废水的性能研究

以黄姜废水为底物,采用单室型微生物燃料电池,验证了MFC处理黄姜废水的可行性,研究了进水COD和SO42-浓度对产电性能的影响.控制电导率和COD等条件一致,黄姜废水最大功率密度为葡萄糖配水的80.3%.低COD浓度条件下MFC产电稳定,功率密度随COD浓度上升而提高,最高为322 mW/m2;当COD提高至2766 mg/L以上时,MFC稳定产电的时长缩短且更新基质后无法恢复最佳产电水平,表明过高的COD负荷会抑制产电微生物活性.COD最终去除率在68.2%~84.8%之间,且随着初始浓度的提高去除率有所下降.进水SO42-浓度的提高使MFC输出功率密度增大,但当SO42-浓度>7 716 mg/L(电导率>8.19 mS/cm)时,继续提高SO42-浓度无法使功率密度增大.与沉淀SO42-后的废水比较,含硫原水的最大功率密度平均下降14.5%,其库仑效率也随SO42-浓度提高明显下降,表明存在SO42-作为电子受体被还原,降低了MFC的效率.     

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.     

重金属离子对微生物燃料电池产电性能的影响

构建双极室微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC),利用硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria,SRB)处理模拟酸性矿山废水,考察5 mg/L重金属离子(Cu~(2+)、Zn~(2+)、Ni~(2+)和Cr6+)对电池产电性能的影响。MFC阳极室有效体积为12 m L,电极材料为碳毡,连续进水,流速为1.9 m L/h,水力停留时间HRT为6.3 h。进水不添加重金属离子时,MFC电压能够升高到200 m V,最大功率密度为55.6 m W/m2(13.89 W/m3),COD平均去除率为57.6%;进水添加重金属离子混合液时,电压由最高180.9 m V降到最低34.7 m V,COD去除率由64.2%逐渐降为7.2%;停止添加重金属,电压逐渐升到400 m V,最大功率密度达222 m W/m2(55.56 W/m3),COD去除率逐渐上升至58.3%。分析认为,重金属离子对SRB菌活性产生抑制作用导致电压和COD去除率显著下降,但是,重金属离子沉淀修饰了MFC阳极,提高了电子的传递性能,MFC产电电压升高。     

利用光微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用研究

采用光合细菌和微藻分别作为阳极和阴极接种物构建了双室光微生物燃料电池,考察了氮、磷浓度及阳极处理后的养猪废水对阴极微藻生长的影响,探讨了构建的光微生物燃料电池产电性能及去除养猪废水中COD、氨氮和总磷的效果.结果表明,阴极微藻不仅能利用无机硝态氮和氨氮,而且更喜好有机氮尿素;此外,阴极微藻可适应较高浓度的氮(250 mg·L-1)和磷(64.8 mg·L-1).构建的光微生物燃料电池以养猪废水为基质,外载为1000Ω时,稳定输出电压为161 m V;养猪废水的COD、氨氮及总磷去除率分别为91.8%、90.2%和81.7%.养猪废水经阳极光合细菌处理后培养微藻16 d,藻细胞光密度(OD680)可达3.40,略低于对照BG11培养基.因此,构建的光微生物燃料电池在处理养猪废水产电的同时,可收获微藻实现养猪废水资源化.     

以苯酚为燃料的微生物燃料电池产电特性

选取城市污水处理厂的好氧和厌氧混合污泥作为接种液,构建了双极室微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC),对以葡萄糖、葡萄糖和苯酚、苯酚为不同燃料的MFC进行了有机物降解和产能效果的研究.试验结果表明,以葡萄糖为单一燃料时MFC的启动时间最短,以苯酚为单一燃料时MFC启动时间最长.MFC在不同燃料来源条件下对苯酚去除率均大于85%,COD去除率超过80%.MFC的连续运行试验结果表明,在1000Ω外电阻条件下,以葡萄糖为单一燃料的MFC运行周期最长,可达400h,最大输出电压为551mV,功率密度为 121 mW·m-2(阳极);以葡萄糖和苯酚为混合燃料的MFC运行周期约200h,最大输出电压为208mV,功率密度为 16mW·m-2(阳极);而以苯酚为单一燃料的MFC运行周期仅约为100h,最大输出电压为121mV,功率密度为 6 mW·m-2(阳极).试验结果最终表明,MFC能够利用苯酚作为燃料,在实现高效降解的同时可稳定地向外输出电能,这为酚类难降解有机物的高效低耗处理提供了新的研究思路.     

光合细菌两段流化床处理鸡粪粪水的研究

光合细菌对高浓度有机废水具有较好的适应性和处理能力,特别是作为一个预处理工艺对后续污水处理可以产生重要的影响。鉴于光合细菌生长时间相对较长,为提高光合细菌对高浓度有机污水的处理效率,本研究利用光合细菌两段流化床反应器对鸡粪粪水进行降解。试验结果表明:经过60 d的启动运行后,反应器进入稳定状态,在进水pH值6.0,COD小于10000mg/L范围内,流化床水力停留时间(HRT)为48 h时,对废水COD去除率为88.10%,TN去除率为68.29%,NH3-N去除率为94.42%,NO3-N去除率为65.43%。     

CANON工艺处理石油催化剂废水的性能研究

以石油裂化催化剂废水为研究对象,采用电絮凝作为废水的预处理单元,研究CANON工艺的启动及脱氮性能.结果表明:电絮凝对原水浊度的去除率达到98.7%±1.2%,对COD去除率达到32.3%±4.5%.利用人工模拟高氨氮废水成功启动CANON工艺,TN去除率最高达到62.0%,TN去除负荷最高达到0.19 kg·m~(-3)·d~(-1)(以N计).使用石油裂化催化剂废水对微生物进行了驯化,经过108 d的运行,微生物成功驯化。利用CANON工艺处理石油裂化催化剂废水,COD去除率为40.9%±13.2%,TN去除率为67.3%±12.7%,TN去除速率为(0.07±0.02)kg·m~(-3)·d~(-1)(以N计).反应器出水COD100 mg·L-1,NH_4~+-N10 mg·L~(-1),满足石油化工企业污水的排放标准(GB8978—1996).     

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.     

掺硼金刚石电极处理榨菜废水试验研究

掺硼金刚石(BDD)电极在电化学氧化难生物降解性废水时具有电化学性能良好、处理效果好等特点,因而受到广泛关注.本试验采用BDD电极电化学氧化榨菜废水,并考察了稀释比、初始pH值、电流密度、极板间距等参数对COD、氨氮(NH3-N)去除率的影响.试验结果表明:在稀释比为1∶2、电流密度50 mA·cm-2、未调节pH值、极板间距为15 mm的最优工况下,COD、NH3-N去除率分别为96.9%、100%.COD去除率满足线性方程y=0.435t(R2=0.9899),NH3-N去除率满足多项式拟合方程y=0.53+0.936t+0.031t2-3.46×10-4t3(R2=0.9956).研究表明,BDD电极电化学氧化榨菜废水是一种有效的高级氧化工艺.     

EGSB-MBR组合工艺处理糖蜜发酵废水效能研究

实验采用厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器与好氧膜生物反应器(MBR)组合工艺对糖蜜发酵废水进行处理.重点考察了组合工艺对发酵废水的处理效能,包括甲烷的产生效率、污染物(COD、NH4+-N和TN)的去除效能.实验结果表明:控温条件下[(35±1)℃]、进水COD约为2250mg/L、pH在为6.0左右时,EGSB对发酵废水的COD去除率可达75.6%,甲烷的容积产气速率为0.48m3/(m3·d).MBR在溶解氧(DO)为1~2mg/L左右时,采用曝气-搅拌交替运行方式处理EGSB出水,可以实现同步硝化反硝化,并且在曝气3h-搅拌1h交替运行条件下,NH4+-N、TN去除率分别为85.13%、58.57%,而最终COD去除率达到85%.     

连续流微生物燃料电池处理含重金属废水研究

该实验的研究对象为连续流双室微生物燃料电池,同时考察连续流微生物燃料电池的污水处理、发电和重金属离子(Cu~(2+)、Ni~(2+)、Cr~(6+)、Cd~(2+)电镀废水,500 mg/L)的处理回收效果并与传统单室微生物燃料电池进行对比。在厌氧环境下以微生物本身作为催化剂,利用人工配成的糖蜜废水作为阳极底物,不同有毒重金属离子溶液作为阴极底物。试验结果表明,在外电阻(1 000Ω)相同的情况下得到Crr~(6+)电镀废水作为阴极时的产电性能最佳,获得最大电压U=114.2 mV,功率密度P=35.648 8 mW/m~2,库伦效率CE=44.13%,同时得到最高金属离子去除率66%。相比之下Cu~(2+)阴极液组产电效果较差,电压稳定值不足0.01 V,功率密度P=6.059 m W/m~2与库伦效率CE=3.78%均为最低值。在阳极均实现了对模拟糖蜜废水的降解,处理效果最显著的是Cd~(~(2+))阴极液组,COD去除率达到78%。最后对MFC阴极还原产物进行了X射线衍射分析,得到Cu~(2+)还原产物包括Cu_2O与铜单质,Crr~(6+)主要被还原成Cr_2O_3,Cd~(2+)与Ni~(2+)主要生成单质状态。采用X射线衍射分析阴极电极还原物质,经计算机检索与国际标准PDF对照。得到4组不同阴极液中,Cu~(2+)被还原生成Cu_2O晶体与单质铜。Ni~(2+)被还原生成镍单质。而Cr~(6+)与Cd~(2+)阴极液组中分别出现Cr_2O_3与单质镉的晶体衍射峰。