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。     

微生物燃料电池降解邻苯二甲酸酯及同步产电特性

构建双室微生物燃料电池（MFC）装置,研究了分别以乙酸钠（NaAc）作单一燃料和乙酸钠+邻苯二甲酸酯（PAEs）作混合燃料条件下,MFC的产电性能及其对邻苯二甲酸酯的去除效果。结果显示,微生物燃料电池对邻苯二甲酸酯类废水的化学需氧量（COD）的总去除率可达89%~94%,对邻苯二甲酸酯的去除率均在70%以上。以2 g·L-1 NaAc+10 mg·L-1 PAEs作混合燃料时,MFC获得最大（面积）功率密度58.78 mW·m-2,电池内阻213.50 Ω。实验结果表明,MFC能够利用高浓度邻苯二甲酸酯作燃料,在实现高效降解的同时稳定地向外输出电能,这为环境激素类难降解有机物的高效低耗处理提供了一种新的研究思路。     

Urea removal coupled with enhanced electricity generation in single-chambered microbial fuel cells

High concentration of total ammonia nitrogen (TAN) in the form of urea is known to inhibit the performance of many biological wastewater treatment processes. Microbial fuel cells (MFCs) have great potential for TAN removal due to its unique oxic/anoxic environment. In this study, we demonstrated that increased urea (TAN) concentration up to 3940 mg/L did not inhibit power output of single-chambered MFCs, but enhanced power generation by 67% and improved coulombic efficiency by 78% compared to those obtained at 80 mg/L of TAN. Over 80% of nitrogen removal was achieved at TAN concentration of 2630 mg/L. The increased nitrogen removal coupled with significantly enhanced coulombic efficiency, which was observed for the first time, indicates the possibility of a new electricity generation mechanism in MFCs: direct oxidation of ammonia for power generation. This study also demonstrates the great potential of using one MFC reactor to achieve simultaneous electricity generation and urea removal from wastewater.

     

四室微生物燃料电池同步脱氮除碳及产电性能

微生物燃料电池近年来被证实可以用来同步脱氮,然而微生物燃料电池中阴阳极室通常以不同成分的污水作为底物。为了实现废水脱氮,往往需要进行出水调配或停曝等复杂的操作。为解决上述问题,本研究构建了阴极硝化耦合阳极反硝化的四室微生物燃料电池(four chamber microbial fuel cell,FC-MFC),阳极室与阴极室之间用阳离子交换膜(cation exchange membrane,CEM)与阴离子交换膜(anion exchange membrane,AEM)进行交替分隔。在浓度差作用下离子进行定向迁移,最终实现阳极室有机物和氨氮的同步去除。探讨了阳极COD(即进水碳氮比)对FC-MFC产电及污染物去除效果的影响,并分析FC-MFC的氮去除途径。结果表明：随着阳极室COD的增加,各MFC模块的产电周期、峰值输出电压和最大功率密度随之增加,同时阳极室COD和TN的去除率也呈上升趋势,该系统对高碳氮比污水具有良好的抵抗负荷。当进水COD和NH₄⁺-N质量浓度分别为1 100 mg·L⁻¹和100 mg·L⁻¹时,4个MFC模块的峰值输出电压介于526~619 mV,最大功率密度为103.47~121.00 mW·m⁻²,阳极室COD去除率和TN去除率分别高达94%和96%以上。氮去除途径分析结果表明,阳极室微生物吸附代谢作用、阴极室内源反硝化、阴极室通过AEM迁移至后序位阳极室进行反硝化过程分别贡献了25.96%~25.97%、0.91%~5.18%、68.87%~73.20%。     

共基质下微生物燃料电池同步脱色甲基橙与产电性能

采用双室方形微生物燃料电池(MFC),以葡萄糖作为共基质,研究了共基质浓度对典型偶氮染料甲基橙在MFC阳极室中脱色效率及同步产电的影响。结果表明,在0~1.5 g/L浓度范围内,共基质浓度越大,甲基橙脱色率、COD去除率和最大输出电压越高。在共基质浓度为1.5 g/L,进水甲基橙为300 mg/L的条件下,8 h的脱色率高达95%,且在1 000 Ω外电阻下,最大输出电压达到662 mV;在无共基质条件下,8 h内对300 mg/L甲基橙的脱色率仅为7.5%,最大输出电压仅达到140 mV。厌氧对照实验表明,甲基橙在MFC中可以实现加速脱色,反应8 h后甲基橙在MFC中的脱色率提高了57%。该研究为开发新型MFC降解偶氮染料废水技术提供了理论依据。     

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 mA,功率密度幅值高达398 mW/m2,发酵产电结束后VFA增加了250%,COD去除率超过了80%。     

外电阻对双阴极微生物燃料电池脱氮产电性能的影响

为提高双阴极MFC的脱氮产电性能,构建了双阴极微生物燃料电池系统,考察了连续进水状态下阳极与缺氧阴极间外阻(R_A-A)以及阳极与好氧阴极间外阻(R_A-O)的变化对系统脱氮产电性能的影响。结果表明：只增大一侧电阻会降低厌氧阳极的库仑效率和功率密度,但能提高系统的脱氮效果;当R_A-O由200 Ω增大到1 000 Ω时,TN去除率由43.81%提高到60.71%,当R_A-A由200 Ω增大到1 000 Ω时,TN去除率由38.88%提高到61.52%;当总外阻固定在1 000 Ω时,两侧电阻变化不影响阳极的功率密度和库仑效率,其分别保持在305.53 mW·m⁻³和0.35%左右;电阻组合(R_A-A /R_A-O)由500 Ω/500 Ω变化为100 Ω/900 Ω,TN去除率由62.32%提高到64.41%;系统的硝化效果随R_A-O的增大而增强,反硝化效果随R_A-A的减小而增强,总氮去除效果随总外阻的增大而提升。低R_A-A与高R_A-O的外阻组合能有效提高双阴极三室MFC的脱氮能力。增大总外阻,系统产电性能降低,阳极表面微生物膜氧化性不断减弱,总外阻不变,阳极表面氧化性变化不大。研究探明了外电阻变化对三室双阴极MFC脱氮产电性能的影响,为进一步提高MFC脱氮产电性能提供参考。     

Treatment of mixed dairy and dye wastewater in anode of microbial fuel cell with simultaneous electricity generation

Environmental Science and Pollution Research - Microbial fuel cell (MFC) is a green technology that converts the stored chemical energy of organic matter to electricity; therefore, it can be used...     

AC/PTFE微生物燃料电池阴极去除罗丹明B及同步产电性能

采用辊压成型法制备了活性炭（AC）/聚四氟乙烯（PTFE）质量比分别为6、5和3的AC/PTFE 电极,并利用SEM对电极表面进行表征。结果表明,随着质量比的降低电极表面活性炭颗粒间的连接更为紧密。以制得的AC/PTFE电极,碳毡分别为微生物燃料电池（MFC）的阴极、阳极,利用AC/PTFE阴极在曝气条件下产生的过氧化氢在阴极处理模拟的罗丹明B废水。研究了不同质量比AC/PTFE阴极对罗丹明B的去除效果及同步产电情况,结果表明以AC/PTFE质量比为6的AC/PTFE阴极在96 h内对罗丹明B的去除率达到96%,MFC获得的最大功率密度为105 mW·m-2;同时研究了在阴极液加入0.2 g·L-1 Fe2+的条件下,阴极液为不同pH值时,阴极对罗丹明B的去除效果及MFC产电情况。结果表明在阴极液pH= 3的情况下,罗丹明B的去除率在36 h内达到了98.9%,MFC的最大功率密度达到210 mW·m-2,罗丹明B的去除速率及MFC能量的输出得到了明显提高。     

Particle size effects in microbial characteristics in thermophilic anaerobic digestion of cattle manure containing copper oxide

Environmental Science and Pollution Research - Roles of bulk-, micron-, and nano-copper oxide (CuO) on methane production, microbial diversity, functions during thermophilic anaerobic digestion...     

Catalytic advancements in carbonaceous materials for bio-energy generation in microbial fuel cells: a review

Environmental Science and Pollution Research - Microbial fuel cells (MFCs) are a sustainable alternative for wastewater treatment and clean energy generation. The efficiency of the technology is...     

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。     

不同阳极微生物燃料电池产电性能的比较

微生物燃料电池在处理废水的同时可以产生电能,有希望同时解决废水再利用和能量再产生的问题。采用单室无膜空气阴极微生物燃料电池,处理模拟生活污水,探讨MFC处理模拟废水的效果。研究了以碳布(MFC1)、碳布负载碳纳米管(MFC2)、碳纳米管(MFC3)和泡沫镍(MFC4)作为4种不同的阳极材料,对MFC系统的启动、内阻和产电特性进行比较。结果表明,4种不同阳极MFC在水力停留时间24 h的条件下,对COD有很好的去除作用,其中MFC2的COD去除效率最大,为91.4%。在不影响MFC系统处理废水效果的前提下,实验得到4种阳极MFC系统中MFC2具有最小的内阻,为173.7Ω;并且其功率密度也大于其他3种MFC,达到401.2 mW/m2。     

串联补给式微生物燃料电池加速处理含铜废水

微生物燃料电池（microbial fuel cells,MFC）可用于处理有机废水并同时处理污水中的重金属。为了对MFC处理含铜废水进行优化,采用了KMnO4-MFC与Cu-MFC串联,通过前者产生的较高电压对后者处理含铜废水过程提供电压和功率的补给并获得额外电能,结果表明,KMnO4-MFC在KMnO4浓度为0.5、1、2 g·L-1时输出最大功率密度分别为288、433、700 mW·m-2,而Cu-MFC在Cu2+浓度为10 mg·L-1时最大功率密度仅为218.75 mW·m-2,二者串联能够明显加快Cu-MFC对Cu2+的回收速率,串联时Cu2+的回收率可达98%,24 h回收率可达91.7%,与单独Cu-MFC相比速率提高1倍。串联后,该种方法在加速铜回收过程的同时还能获得额外的电能,其最高输出功率可达143 mW。     

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...     

碳氮比对高盐废水单室MFCs产电、污染物去除及微生物群落结构的影响

构建了 5套单室无膜空气阴极微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC),探讨了碳氮比对单室MFC产电及污染物去除效果的影响,并通过微生物高通量测序分析了电极生物膜的优势菌种.结果表明:当碳氮比分别是3∶1、4∶1、5∶1、6∶1和7∶1时,在产电性能方面,碳氮比的提高有利于电池电能的输出;当碳氮比...     

阳极COD对榨菜生产废水MDC产电、脱盐的影响及氨氮去除的微生物群落分析

构建了3室榨菜生产废水微生物脱盐燃料电池系统(microbial desalination cell,MDC),探讨了其阳极COD对榨菜废水MDC产电、脱盐的影响;通过微生物群落分析,探查了脱盐室${{\rm{NH}}_4^ + }$-N的去除途径。结果表明：在产电性能方面,MDC阳极COD为900 mg·L⁻¹时较400 mg·L⁻¹与1 400 mg·L⁻¹时更优,在1 000 Ω的外电阻负载下,其输出电压、最大功率密度、库仑效率分别为550 mV、2.91 W·m⁻³、(15.7±0.5)%;在脱盐方面,阳极COD为400 mg·L⁻¹时,较其他2种情况更优,MDC的脱盐时间、脱盐速率、电子利用效率分别为910.5 h、5.15 mg·h⁻¹、111%。阳极COD不同的MDC脱盐室,其${{\rm{NH}}_4^ + }$-N的去除途径基本相同。脱盐室部分${{\rm{NH}}_4^ + }$-N转化为${{\rm{NO}}_3^ - }$-N后,通过自身的反硝化或以NO₃形式迁移至阳极得以去除,剩余的大部分${{\rm{NH}}_4^ +} $-N以${{\rm{NH}}_4^ + }$形式迁移至阴极,在碱性环境下转化为NH₃并排出。高通量测序分析结果表明,水解发酵菌属(总丰度为33.21%)为MDC阳极的核心微生物群落。阳极生物膜中的电化学活性菌(总丰度为11.78%)可实现电池的产电功能,反硝化菌属(总丰度为14.61%)的存在证明,脱盐室盐室${{\rm{NO}}_3^ - }$-N迁移至阳极室后进行了反硝化并得以去除。在脱盐室水体中检测到了氨氧化菌属(总丰度为6.93%)及反硝化菌属(总丰度为15.82%),这也是脱盐室中${{\rm{NO}}_3^ - }$-N快速产生和随后浓度陡降的原因。     

Short-term effects of diesel fuel on rhizosphere microbial community structure of native plants in Yangtze estuarine wetland

Purpose

In this work, short-term effects of diesel fuel on Huangpu?CYangtze estuarine wetland soil microbial community structure were studied under simulated conditions through phospholipid fatty acids (PLFAs) analysis. Four native plant species, bulrush (Scirpus tripueter), galingale (Cyperus rotundus), wildrice (Zizania latifolia), and reed (Phragmites australis) were tested in the experiments.

Method

In the pot experiment, 20?g rhizosphere soils were mixed with 20?g diesel-blended soils. The concentration of total petroleum hydrocarbon was 16,000?mg/kg. All pots were incubated for 14?days in dark at 28°C and watered with 12?mL sterile distilled water to keep a liquid level. Microbial activity of the samples was assessed by hydrolysis of fluorescein diacetate. Measurements of soil PLFAs and analysis on gas chromatography were performed.

Results

The microbial activity in the samples of reed was highest after the exposure. In all samples, the common PLFA was straight-chain saturated fatty acid (SFA) and monounsaturated fatty acid (MUFA). After the exposure the relative abundance of MUFA and polyunsaturated fatty acid decreased by 20%, and the relative abundance of straight-chain SFA increased by 20%. The results of diversity and PCA indicated that the effect of diesel pollutant on the microbial community was far stronger than the root effect and the reed roots enhanced the tolerance of soil microorganisms to diesel significantly.

Conclusions

All results showed that the soil microbial community structure differed significantly with the exposure to diesel. In reed rhizosphere, the soil microorganisms exhibited a strong resistance to diesel fuel. It confirmed that the root of reed improved the biodegradation ability of soil microorganisms for diesel pollutants and they could be reasonably matched to cure and restore the ecological environment of oil-contaminated wetlands.     

Comparison analysis on simultaneous decolorization of Congo red and electricity generation in microbial fuel cell (MFC) with l-threonine-/conductive polymer-modified anodes

Environmental Science and Pollution Research - l-Threonine and three kinds of conductive polymers were applied for anode modification in microbial fuel cells (MFCs) for decolorization of Congo red...     

铁碳布空气阴极微生物燃料电池的产电性能

使用铁代替铂作为阴极催化剂,制作含铁碳布空气阴极并构建单室MFC(Fe-C-ACMFC)。以乙酸钠为燃料,通过稳态放电法和循环伏安测试等测试手段,分析了不同铁含量对Fe-C-ACMFC产电性能的影响以及性能最优Fe-C-ACM-FC的连续运行稳定性。结果表明,随着铁含量的增加,Fe-C-ACMFC启动期开路电压(OCV)逐步提高,达到峰值后,随着铁含量的增加而降低;同样,Fe-C-ACMFC极化性能和功率密度等产电性能也随铁含量的增加先升高再降低;当铁含量为0.7 mg/cm2时,MFC的产电性能最优,最大开路电压为593 mV,表观内阻为89Ω,最大功率密度达到12 907 mW/m3,并且经循环伏安测试,电池放电容量几乎没有变化,表明Fe-C-ACMFC的性能比较稳定,能够长期运行。由于铁催化剂价格远远低于铂催化剂,因此,铁碳布空气阴极MFC更利于推广应用。