微生物燃料电池产电研究及微生物多样性分析

以乙酸钠为阳极底物,碳毡材料为阴阳电极,构建了无介体双室微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC),研究不同阴极受体、外接电阻、乙酸钠浓度和不同接种方式等因素对电池产电性能的影响.根据不同接种方式下微生物燃料电池产电性能差异,利用PCR-DGGE技术对不同接种方式下的微生物多样性进行分析.研究结果表明:在500 mL的阴阳极反应体系中,当接入500 Ω外电阻,阴极电子受体为高锰酸钾,阳极乙酸钠质量浓度为6.46 g/L,只接入附着有大量微生物的电极时,微生物燃料电池产电性能最好,最大电功率密度可达353.57 mW/m2,库伦效率为39.35%;微生物多样性分析显示.δ-变形菌纲、β-变形菌纲和拟杆菌门的菌种更适应微生物燃料电池的运行环境,能在电极上大量富集.提高电池的产电性能.是电极上的优势菌群.图8表1参21     

尿液微生物燃料电池研究

尿液是市政污水中氮、磷与COD的主要来源,将尿液从污水系统中分离单独处理可以缓解城市污水处理厂有机物、营养素的超负荷难题.以源分离的尿液为底物,研究微生物燃料电池的产电特征及其污染物去除效果,并进一步考察影响系统产电性能的因素.结果显示:在超过6个月的试验过程中,伴随有机物和总氮的减少,系统可保持长期稳定的功率输出.COD和总氮的最高去除率为92.9%和65.6%,系统最大输出功率为388.2 m W/m2,这也是迄今尿液微生物燃料电池所获得的最高功率.阳极碳毡表面菌群分析显示具有电化学活性的Arcobacter和具有发酵功能的Bacteroides为优势菌群.氨氮积累、微生物淤积以及尿液中的物质沉淀等是影响尿液微生物燃料电池性能的主要因素.研究结果表明,尿液微生物燃料电池高效地实现了在污染物去除的同时获得高输出功率,体系中Arcobacter是一种新型的胞外产电菌,其强电化学作用可利用在生物电能的获得过程中.     

微生物产电呼吸最新研究进展

产电呼吸是一种新型的微生物能量代谢方式,基于产电呼吸的微生物燃料电池(MFC)具有直接产电、能量转换率较高、无需外源介体、自我维持运行等优点.介绍了产电呼吸的MFC工作原理、产电微生物的种类、产电呼吸的特点、影响产电呼吸的因素、产电呼吸与铁呼吸的异同,重点从电子由胞内传递至胞外及胞外转移至电极两个环节阐述了产电呼吸机制.最后展望了基于产电呼吸的微生物燃料电池的广阔应用前景.     

混合菌群生物燃料电池的产电机理与特性

利用厌氧污泥为接种源构建双室微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC),研究其电子传递机制,并考察其底物利用谱及阴极电子受体对产电性能的影响.结果表明:该MFC主要通过生物膜机制实现电子从有机物到固体电极的传递过程.该混合菌MFC的底物利用谱范围广泛,单糖、二糖、小分子有机酸等有机物均可作为电子供体产电,其中以蔗糖和乳糖为底物产电效果较好,最大功率密度分别为69.69 mW/m2和60.75 mW/m2;而以乙醇为底物时,COD负荷最高,达123.55 mg L-1d-1.阴极不同电子受体对混合菌群MFC的产电性能也有显著影响,其中以KMnO4为电子受体电池性能最好,最大功率密度达1 396.74 mW/m2.     

微生物燃料电池在土壤修复中的应用与前景

微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs)能够将有机物或无机物的化学能转化为电能,在治理污染的同时也提供电能,在修复污染环境和生物产电方面有着很好的前景。通过文献调研方法,系统论述了国内外微生物燃料电池在环境污染治理方面的研究及应用情况,分别从重金属污染、有机污染、非重金属无机污染等方面论述了微生物燃料电池在土壤修复方面的应用,并且从电极材料、大小、间距、排列方式、外阻和土壤性质等方面阐述其影响因素,最后探讨了微生物燃料电池的应用前景和不足之处。     

产电微生物基因组及代谢网络分析

产电微生物的生物信息学分析是微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)研究中的关键环节,各种生物信息学分析方法已经开始应用于产电微生物研究.本文综述了目前产电微生物基因组、功能基因组和代谢网络分析的重要方法,包括基因和基因表达信息分析、基因组和比较基因组分析、代谢网络建模和计算机模拟等,其中,产电微生物代谢网络的构建是联系上游基因组分析和下游基因工程改造的关键,是目前相关研究面临的挑战.生物信息学分析必将促进干实验与湿实验的紧密结合,促进发现电子转移相关功能基因,解析微生物产电机制,优化代谢网络,由此指导基因工程改造产电微生物,最终提高产电效率.     

金属及其化合物修饰微生物燃料电池阳极的研究进展

微生物燃料电池是一种利用微生物将生物质转化为电能的装置.阳极是微生物燃料电池的重要组成部分,通过对阳极的修饰可有效提升微生物燃料电池的产电效率.本文在简要介绍微生物燃料电池工作原理的基础上,详细归纳了不同金属及其化合物修饰阳极时微生物燃料电池的产电性能,分析了其促进产电的原因,并对未来的发展趋势进行了展望.     

生物电化学系统3种典型构型及其应用研究进展

生物电化学系统(Bioelectrochemical system,BES)是一种交叉学科的前沿技术,随着全球淡水资源和可利用能源日益剧减,BES构型及应用受到广泛关注.简述微生物燃料电池和微生物电解池结构、原理和国内外研究动态,系统介绍BES及其影响因素,其中微生物活性、阴阳电极材料及电池构造最为重要;概述增加电极室、增加反应室和微型传感器等三方面构型及近年来的应用研究进展,比较单电极室和多电极室的优缺点,以微生物脱盐电池、微生物电解脱盐电池、微生物产酸产碱脱盐池为基础介绍增加反应室构型,重点综述BES在生化需氧量监测方面的研究.由于多室微生物燃料电池构造复杂且产能低,单室将是未来生物电化学系统发展趋势;增加反应室主要以脱盐目的为主,且脱盐池的研究仍需要围绕优化阴阳离子交换膜、维持阳极室内pH平衡以及降低空气阴极溶解氧对反应器性能影响;微生物电极传感器可拓宽应用于更多领域,其敏感性和长期稳定性有待进一步提高.目前对产电微生物群落丰度和活性的研究还相对较少,未来电池构型和增加应用范围依然是BES的研究热点.     

微生物燃料电池运行条件的优化

以葡萄糖为燃料,构建了微生物燃料电池,分别考察了离子交换膜种类(以及没有)、电极材料、电极间距、溶液离子强度(以及添加铁氰化钾)对微生物燃料电池性能的影响,结果表明:使用均相阳离子交换膜、未抛光的高纯石墨板、电极间距0.5 cm、添加 NaCl溶液和铁氰化钾将产生最大的功率密度,优化了微生物燃料电池的运行条件.     

微生物燃料电池阳极产电菌电子转移主要机制及其影响因素

微生物燃料电池(microbial fuel cells, MFCs)能够将有机污染物化学能转化为电能,有望成为解决环境和能源问题的重要技术之一.但微生物代谢产电效率低制约其规模化应用,电子的产生及转移过程也将直接影响MFCs电能输出.本文综述了MFCs产电菌胞内电子传递及胞外电子转移机制近年来的研究进展,着重总结了阳极产电菌胞外电子传递方式以及促进胞外电子传递能力的途径,阐述了电子转移过程存在的影响因素及其作用机理,并指出了MFCs今后应用中面临的问题及发展方向.     

Shipboard bilge water treatment by electrocoagulation powered by microbial fuel cells

Reveals the synergy between microbial fuel cells and electrocoagulation. Demonstrates MFC-ECC shipboard wastewater treatment is advantageous. MFC-ECC integration enables energy neutral bilge water treatment. Ships generate large amounts of wastewater including oily bilge water, blackwater and greywater. Traditionally they are treated separately with high energy consumption. In this study we demonstrate the feasibility that these waste streams can be treated using an integrated electrocoagulation cell (ECC) and microbial fuel cell (MFC) process, which not only synergized the contaminants removal but also accomplished energy neutrality by directly powering EC with MFC electricity. Results showed that MFC stack powered ECC removed 93% of oily organics, which is comparable to the performance of an external DC voltage powered ECC. In the meantime, more than 80% of COD was removed from MFCs when fed with either acetate or municipal wastewater. Moreover, the ECC electrode area and distance showed notable effects on current generation and contaminants removal, and further studies should focus on operation optimization to enhance treatment efficiency.     

Integrated energy view of wastewater treatment: A potential of electrochemical biodegradation

• Energy is needed to accelerate the biological wastewater treatment. • Electrical energy input in traditional technology is indirect and inefficient. • Direct injection of electricity can be a game changer to maximize energy efficiency. • Microbial electrochemical unit for decentralized wastewater treatment is proposed. It has been more than one century since the activated sludge process was invented. Despite its proven stability and reliability, the energy (especially the electrical energy) use in wastewater treatment should evolve to meet the increasingly urgent demand of energy efficiency. This paper discusses how the energy utilized in conventional biological wastewater treatment can be altered by switching the indirect energy input to a direct electricity injection, which is achieved by the electrode integration providing extra thermodynamic driving force to biodegradation. By using electrodes instead of oxygen as terminal electron acceptors, the electrical energy can be utilized more efficiently, and the key of direct use of electrical energy in biodegradation is the development of highly active electroactive biofilm and the increase of electron transfer between microbes and the electrode. Furthermore, the synergy of different microbial electrochemical units has additional benefit in energy and resource recovery, making wastewater treatment more sustainable.     

三维电极电化学反应器组合Fenton试剂深度处理焦化废水

采用三维电极电化学反应器组合Fenton试剂法对经过二级生化处理后的焦化废水进行深度处理。在三维电极参数一定的条件下,考察了影nfi]TOC去除率的影响因素,探讨了该反应体系的降解动力学及降解机理。正交试验结果表明,反应体系中各参数的最佳值分别为p（H202投加量）=300mg·L-1,pH3．4,反应时间为90min,c（FeS04-7H20投加量）为3．5mmol·L-1,TOC去除率可达到61．7％。焦化废水的降解反应表现为一级动力学。紫外吸收光谱分析结果,废水中有机物彻底发生了降解矿化,这为三维电极组合Fenton试剂工艺在焦化废水深度处理中的工程应用提供了一定的理论指导。     

流化床三维电极电催化氧化深度处理焦化废水

研究了以焦粒为粒子电极的流化床三维电极反应器对二级生化处理后的焦化废水进行深度处理。结果表明：采用以焦粒为粒子电极的流化床三维电极反应器能有效降解废水中的有机物,COD去除率依赖于粒子投加量、电流密度、电导率、pH值、曝气量等操作参数的影响。在电导率（以S计）为7.1 m.cm-1,曝气量为160 L.h-1,电流密度（以A计）为48 m.cm-2,pH值为5.0,投加量30 g.L-1时,电解30 min,COD的去除率超过60%,表明流化床三维电极反应器在焦化废水深度处理中有很好工程应用前景。     

实时控制技术在污水生物处理中的研究进展

针对目前污水处理厂采用固定时间控制策略所暴露出的问题，从污水生物处理反应机理上分析了溶解氮（DO），氧化还原电位（ORP）和pH值作为污水生物处理实时控制参数的可行性，得出污水处理过程中反应器内DO，ORP和pH的变化可以间接反应有机物降解和脱氮除磷过程，因此，在理论上可以应用DO，ORP和pH作为实时控制参数控制污水处理过程，综述了当前国内外应用DO，ORP和pH作为实时控制参数控制污水处理过程的研究进展，并分析了目前我国在此研究方向存在的问题，指出进一步加强对污水处理实时控制技术应用基础研究的必要性和紧迫性，并使其与智能控制技术相结合，最终实现污水处理自动化，参27     

吸附-生物降解(AB)工艺的改造

AB工艺凭借其独特的优点,在城市污水处理中得到许多应用。但在我国低浓度、低C／N比的城市污水处理中遇到许多问题。以广州某城市污水处理厂AB工艺的应用情况为例,探讨了AB工艺改造的方法及其研究进展,在此基础上提出SND(同时硝化反硝化生物脱氮)技术应用于AB工艺改造的新思路,为我国城市污水处理厂的改造和优化提供一种新的方案。     

Microbial fuel cell with high content solid wastes as substrates: a review

With the increasing concern about the serious global energy crisis and high energy consumption during high content solid wastes (HCSWs) treatment, microbial fuel cell (MFC) has been recognized as a promising resource utilization approach for HCSW stabilization with simultaneous electrical energy recovery. In contrast to the conventional HCSW stabilization processes, MFC has its unique advantages such as direct bio-energy conversion in a single step and mild reaction conditions (viz., ambient temperature, normal pressure, and neutral pH). This review mainly introduces some important aspects of electricity generation from HCSWand its stabilization in MFC, focusing on: (1) MFCs with different fundamentals and configurations designed and constructed to produce electricity from HCSW; (2) performance of wastes degradation and electricity generation; (3) prospect and deficiency posed by MFCs with HCSWas substrates. To date, the major drawback of MFCs fueled by HCSW is the lower power output than those using simple substrates. HCSW hydrolysis and decomposition would be a major tool to improve the performance of MFCs. The optimization of parameters is needed to push the progress of MFCs with HCSW as fuel.

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人工湿地污水处理工艺与设计

人工湿地作为一种新型生态污水处理技术，在实际各取得了快速发展。为了适应我国对这一技术的迫切需要，文章结合作者的实践，较详细地介绍了目前人工湿地污水处理的工艺结构、基本设计方法及经济技术比较，以供有关科研、设计单位参考。     

活性污泥胞外多聚物的研究进展

本文阐明研究胞外多聚物的重要性入手,从它的性质,来源,在污水和污泥处理中各方面的影响作用,以及胞多聚物的分离提取方法几方面,综述了活性污泥胞外多聚物的研究发展和现状,并提出了一些可供进一步的探索的问题。     

两相厌氧消化工艺处理有机废水的进展和应用

两相厌氧消化工艺是近年来发展很快的一种处理有机废水的新技术.本文介绍了该技术的微生物学原理和基本特点,总结了国内外的研究和应用现状,简要分析了该技术的研究动态.