基于铁阳极的生物阴极自养反硝化效能影响因素探究

利用微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)装置耦合零价铁脱氮和生物阴极,研发基于铁阳极的新型生物脱氮技术,可有效避免脱氮过程中外源有机物的添加,降低污水处理成本,减少二次污染.本文以MFC装置为平台,零价铁为阳极,附着生物膜的碳刷为阴极,组成零价铁自养反硝化装置.在控制变量的条件下,采用单因素试验法探究不同起始pH(5～9)、不同外接电阻(50～2000Ω)、不同阴极电导率(0～232g·L^-1)和不同起始基质浓度(42～800 mg·L^-1)对零价铁自养反硝化效能和MFC产电性能的影响.结果表明,以脱氮作为首要目标,产电作为次要目标时,零价铁生物自养反硝化体系最佳起始pH为7,最佳起始硝氮浓度为200 mg·L^-1,最佳阴极电导率为添加116 g·L^-1,最佳外接电阻为1000Ω.对自养反硝化效能影响因素的探究将有助于优化反应条件,探明碳阴极生物脱氮过程的主要干扰因素,提升生物自养反硝化技术效能.     

微生物燃料电池群落结构最新研究进展

进入21世纪,对微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)的研究已取得了很大进步,微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能转化为电能的装置。微生物燃料电池的研究及运用涉及到电化学、微生物、材料工程等多个领域。MFC的研究特点主要是产电的同时能高效处理污水,针对这种特点,为中国能源危机的缓解和资源的有效利用提供有效途径。目前,MFC研究的主要问题在于微生物的难控制、产电效率低、产电菌种少等,对不同底物MFC中产电微生物及产电菌群的研究,为提高MFC的产电性能、污水的处理效率提供了新的理论依据和研究思路。     

湿地型生物燃料电池(CW-MFC)研究进展

湿地型生物燃料电池(wetland type microbial fuel cell,CW-MFC)由微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)和人工湿地(constructed wetland,CW)组合而成。CW-MFC利用植物复合生物电极代替贵金属电极,湿地植物独有的根际分泌物(溶解氧、根际酶,根际有机物)和丰富的根际微生物种群结构,使电池具有更为复杂的电极结构和电极催化活性,更高效的去污能力和相对低的建设运行成本,同时CW-MFC的产电机制更为复杂。基于微生物燃料电池的工作原理,通过对CW-MFC产电机制及产电效能影响因素的综述,评述了CW-MFC电池结构、底物、电极材料、植物物种对系统效能的影响,提出了CW-MFC型电池的研究和发展方向。     

有机碳源种类及位置对黄铁矿生物滞留设施淹没区水质的影响研究

在生物滞留设施内构建淹没区并添加碳源是目前广泛采用的雨水强化脱氮方式,这使得淹没区成为反硝化作用发生的主要场所,并显著影响生物滞留设施脱氮效能。但是目前尚无研究清晰揭示生物滞留设施中碳源的种类和位置对淹没区水质的影响。基于提升黄铁矿同步脱氮除磷的能力,在黄铁矿基质生物滞留设施中通过改变碳源的种类(玉米芯、稻壳、树皮)和添加位置探究了其对淹没区水质的影响。结果显示,3种碳源对强化NO^-₃-N的去除的能力顺序为树皮>稻壳>玉米芯,且树皮不会造成NH⁺₄-N去除效率的下降。对淹没区水质的进一步研究发现,添加树皮后淹没区NH⁺₄-N、PO₄^3--P浓度更低,且NO^-₃-N去除速率更快。碳源添加在覆盖层促进了NH⁺₄-N和PO₄^3--P去除,但NO^-_...     

不同聚集形态短程反硝化耦合厌氧氨氧化系统脱氮性能与碳源利用特性

考察了微生物以生物膜和颗粒污泥两种聚集方式主导的短程反硝化耦合厌氧氨氧化(PD/A)系统启动与长期运行性能、功能菌活性变化与种群结构差异。通过批次试验研究了碳源类型和碳氮比(C/N)对不同聚集形态的PD/A污泥脱氮活性的影响。结果表明,PD/A生物膜与颗粒系统均实现了氨氮(NH⁺₄-N)和硝态氮(NO^-₃-N)的同步高效稳定去除,其总氮(TN)去除率分别为90.6%和96.2%。碳源类型对PD过程实现亚硝态氮(NO^-₂-N)积累具有显著影响。当C/N为5.0时,生物膜系统比NO^-₃-N还原速率(μNO₃)由大到小依次为乙酸钠、葡萄糖、乙醇和甲醇;在C/N为3.0时,生物膜系统比NH⁺₄-N降解速率(μNH₄)由大到小依次为葡萄糖、乙醇、乙酸钠和甲醇;在适宜C/N范围内,厌氧氨氧化活性随短程反硝化活性提升而提高;当乙酸钠为碳源时...     

铁酸锰活性炭阴极催化剂的制备与对微生物燃料电池产电性能的影响

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阴极的氧化还原反应能力对MFC的产电性能起着至关重要的作用,因此,本研究制备了铁酸锰/活性炭(MnFe₂O₄/AC)并对其进行材料学表征,研究其作为MFC空气阴极催化剂时产电和污水处理效果.研究表明,MnFe₂O₄和AC物质的量比为1:3时MFC电功率密度最高,达302.7mW/m².在峰值电压附近维持时间长达200h,维持时间是传统Pt/C催化剂MFC的4倍,库伦效率达到17.45%.在催化剂重复利用实验中发现,在相同的运行时间内,采用Pt/C催化剂的MFC电压下降明显,而采用MnFe₂O₄/AC催化剂的MFC电压基本保持稳定,证明了MnFe₂O₄/AC催化剂良好的循环稳定性.污水处理效果方面,MnFe₂O₄和AC物质的量比为1:3时处理效果最好,COD去除率达74.66%.因此,MnFe₂O₄/AC催化剂制备简单、价格低廉、电化学性能稳定,在提高MFC产电持久性方面具有实际意义.     

一株克雷伯氏菌(Klebsiella sp.)Z6的分离及其产电特性研究

产电微生物是驱动微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)运行的关键.采用分离培养-MFC产电实验的方法,从以污水处理厂活性污泥为接种物的MFC阳极生物膜中分离到一株产电微生物,命名为Z6.菌株Z6的16S rDNA序列与已知菌株Klebsiell aoxytoca An16-2具有100%的同源性,结合该菌生理和形态特征将其初步鉴定为克雷伯氏菌属.菌株Z6接种MFC的产电结果表明,以柠檬酸钠为底物时MFC的最大体积功率密度达到14.35W·m-3,内阻为400Ω,显示出较强的电化学活性.通过循环伏安分析和外源AQDS添加实验结果推测,菌株Z6很可能通过分泌电子传递中间体传递电子.     

1株产电假单胞菌(Pseudomonas sp.)RE7的分离及特性研究

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阳极微生物的种类和作用机制对MFC的产电性能有着重要的影响.从已稳定运行1a的MFC的阳极室分离得到1株电化学活性革兰氏阴性细菌——菌株RE7,其16SrRNA基因序列与Pseudomonas aeruginosastrain CMG587有99%同源性,属于假单胞菌属(Pseudomonas sp.).利用菌株RE7构建的MFC的稳定产电和循环伏安曲线测定结果都表明,菌株RE7具有较强的电化学活性,利用菌株RE7构建的MFC的最大输出电压为352mV,相应的最大面积功率密度为69.2mW/m2,体积最大功率密度为6.2W/m3.由不同稀释比例的MFC排出液的产电效果比较可知,菌株RE7极有可能是通过自身分泌的氧化还原类物质进行电子传递.     

磺胺甲噁唑对序批式生物反应器脱氮性能及微生物群落的影响

研究了长期暴露条件下磺胺甲噁唑(SMX)对序批式生物反应器(SBR)脱氮性能及微生物群落的影响。结果表明：长期暴露于6 mg/L的SMX环境中,SBR对有机物和NH⁺₄-N的去除无明显变化。COD的平均去除率为(92.57±0.92)%,NH⁺₄-N的平均去除率达到(98.71±0.34)%;NO^-₂-N和NO^-₃-N的出水浓度随运行时间的增加而升高;在第104天时反应器比耗氧速率(SOUR)、比氨氧化速率(SAOR)、比亚硝酸盐氧化速率(SNOR)、比硝酸盐还原速率(SNRR)和比亚硝酸盐还原速率(SNIRR)较添加SMX前分别下降了23.33%、24.47%、28.29%、14.97%和15.81%。SMX的存在致使胞外聚合物(EPS)、松散型胞外聚合物(LB-EPS)和紧密型胞外聚合物(TB-EPS)及其中的蛋白质(PN)和多糖(PS)含量随运行时间的增长而增加,PN/PS呈上升趋势。活性氧(ROS)的生成...     

厌氧/好氧生物接触氧化工艺耦合微生物燃料电池技术处理农村生活污水

为研究微生物燃料电池(MFC)在农村生活污水处理工艺中对污染物去除效果的影响及其产电效率,在厌氧/好氧生物接触氧化反应器中构建了MFC,并进行实验研究。结果表明:增加了MFC构建可以使装置的COD去除率从87.67%提高到96.19%,总氮和悬浮物去除率也有一定提高,分别从61.6%和84.6%提高到64.7%和87.9%,但对氨氮和总磷的去除效果影响不明显。稳定期,当外接500 Ω电阻时,装置中MFC的输出电压可达到0.33~0.51 V,总产电功率和库仑效率分别为169.13~192.12 mW/m3和2.50%。微生物分析表明,装置中构建MFC可以提高整个装置中与产电和有机物去除相关的微生物(Trichococcus)、好氧区的脱氮微生物(Dokdonella和Rhodobacter)和除磷微生物(norank_f__Caldilineaceae和Anaerolineaceae)等的相对丰度,从而提高装置的污水处理效率。     

盐度对MFC产电及其微生物群落的影响

本文研究了模拟废水中不同盐度对微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)性能的影响.当向MFC中依次添加0,20,40,60,70g/L NaCl时,MFC的最大输出电压从660mV下降到130mV,库仑效率也从67%下降到4%.如果向MFC中直接添加40g/L和70g/L NaCl并运行两个周期后,MFC无电能输出,然而,停止添加NaCl(盐度解除)后MFC产电性能能够在60h内恢复.此外,当盐度高于40g/L NaCl时,阳极微生物群落发生明显的变化.研究结果可为MFC或其他生物反应器处理盐度废水提供一定的依据.     

不同深度复合垂直流人工湿地脱氮性能比较

设计构建了4套分段式复合垂直流人工湿地(IVCW)柱状模拟系统(总程分别为145,185 cm),针对低C/N型人工污水，研究基质层高、添加活性生物质及进水中氮素组成对该系统脱氮效果的影响。结果表明：当水力停留时间为1 d时，4套系统对总氮(TN)去除率均在30%以上，半程基质层设置为95 cm,不添加活性生物质的HI组对TN去除率最高，达到42%;对NH₃-N、NO^-₃-N的平均去除率分别为20%～48%、21%～66%,而NO^-₂-N在各系统中均发生了不同程度的积累。随着进水中NO^-₃-N占比负荷的增加(从1/7到6/7),其NO^-₃-N去除率整体呈下降趋势，仅HI组去除率变化较其他组更稳定。但IVCW系统加深后，添加活性生物质反而会降低其TN去除效果。IVCW系统第1段，即下行流上层单元对脱氮贡献最大，高达80%以上；不同处理间强化脱氮效果差异虽不显著，但系统后段其脱氮途径间存在一定差...     

纯菌株与混合菌株在MFC中降解喹啉及产电性能的研究

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阳极微生物菌群组成与MFC产电性能有重要关系.从稳定运行了210 d以上,以200 mg.L-1喹啉为燃料的MFC阳极室分离提纯出4株兼性厌氧菌Q1、b、c和d,分别代表原MFC中所有4类不同菌落形态的可培养菌.16S rDNA序列分析结果表明,菌株Q1、c和d属于假单胞菌属(Pseudomonas sp.),菌株b属于伯克霍尔德菌属(Burkholderia sp.).通过构建双室MFC,以200 mg.L-1喹啉和300 mg.L-1葡萄糖为混合燃料,以铁氰化钾为电子受体测定各菌株产电能力,结果表明菌株b、c和d均为非产电菌.产电菌Q1与非产电菌b、c、d复合产电电荷量依次为3.00、3.57和5.13C,库仑效率依次为3.85%、4.59%和6.58%,产电菌与非产电菌对燃料的降解利用存在竞争关系,使得复合菌产电能力比产电菌Q1单独时的产电能力差.在MFC中,非产电菌与产电菌复合产电时24h内对喹啉的去除率均可以达到100%,降解喹啉效果优于4株菌单独构建的MFC,即混合菌更有利于利用复杂碳源.GC/MS的测定结果表明,产电菌株Q1构建的纯菌MFC和原混合菌MFC周期结束时出水中存在的喹啉代谢产物均为2-羟基喹啉和苯酚.     

反硝化脱硫微生物燃料电池的可行性研究

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)可在去除废水中污染物的同时回收电能.以S2-和NO-3-N分别作为阳极电子供体和阴极电子受体,研究了反硝化脱硫MFC的同步阳极除硫与阴极脱氮,分析了阳极进水S2-浓度对MFC产电性能及污染物去除情况的影响,探究了MFC阳极石墨纤维丝上的硫沉积情况及其对内阻的影响.结果表明,反硝化脱硫MFC在32 d内实现稳定的阳极除硫与阴极脱氮.外阻为100Ω时,电压稳定在(176.0±6.9)m V,相应的S2-和NO-3-N去除负荷分别为(0.94±0.04)kg·m-3NC·d-1和(11.1±0.6)g·m-3NC·d-1.MFC的产电能力随着阳极进水S2-浓度的增加逐渐增强,SO_2-4的生成率和NO-3-N去除负荷受S2-浓度影响较小.在试验S2-浓度下S2-的去除较彻底,SO_2-4的生成率均超过65%.NO-3-N去除负荷维持在12 g·m-3NC·d-1左右,出水NO-2-N浓度均低于0.01 mg·L-1.反硝化过程较完全.在运行过程中,MFC阳极的石墨纤维丝上会沉积颗粒硫,降低电极的有效面积,使MFC的内阻升高.     

微生物燃料电池及其在废水/废弃物处理中的应用

微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFC)作为一项解决环境污染同时开发可再生能源的新技术,近年来受到国内外研究者广泛关注。基于MFC工作原理,全面归纳了其典型的高效产电菌,并从阳极氧化、阴极还原两方面重点探讨了其在处理废水/废弃物的应用实例及发展潜力,最后从3个方面对MFC在环境领域的应用前景作了展望。     

葡萄糖和硝基苯为混合燃料时MFC的产电特性研究

通过构建双极室微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC),以铁氰化钾溶液为阴极电子受体,以硝基苯(nitrobenzene,NB)和葡萄糖为混合燃料,研究MFC的产电特性和NB的降解情况.结果表明,在外阻为1000Ω的条件下,随着NB初始浓度的增加,双极室MFC的产电特性明显受到抑制.当葡萄糖浓度为1000mg/L,NB初始浓度分别为0、50、150、250mg/L时,MFC的运行周期逐渐缩短,分别为55.7、51.6、45.9、32.2h;最大输出电压分别为670、597、507、489mV;最大体积功率密度分别为28.57、20.42、9.29、8.47W/m3;电荷量分别为65.10、43.50、35.48、30.32C.MFC利用NB和葡萄糖为混合燃料,可以在稳定地输出电能的同时实现有机物高效降解,MFC对NB去除率高达100%,对COD的去除率达到87%～98%.但以250mg/LNB为单一燃料时,MFC无明显产电现象.DGGE图谱表明NB的加入改变了MFC阳极电极上微生物的群落结构.     

微生物燃料电池处理苯酚废水运行条件研究

以传统厌氧消化(conventional anaerobic digestion,CAD)作对照,研究不同温度、底物浓度、盐桥管径以及有无接种微生物对微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)处理苯酚废水性能的影响.实验结果表明,MFC技术可以在获得电能的同时,强化有机废水的生物处理过程,MFC能够在较低温度(15℃)下运行.当苯酚初始浓度为0.15g·L-1,随着温度(15℃、25℃、35℃)的增加,苯酚的降解效率和MFC的产电性能也随着提高;MFC具有耐有机负荷冲击能力,即使在高负荷苯酚初始浓度3.5g·L-1条件下,去除率达60%;盐桥孔径并不与苯酚去除效率、电压、功率密度成正比关系.MFC在适合的管径条件下可以高效去除苯酚的同时,能有较高的产电效率;MFC的阳极反应需要微生物的催化.     

以预处理剩余污泥为燃料MFC产电性能及不连续供电的可行性

为探讨微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)处理经预处理后剩余污泥的可行性以及不连续供电能力,采用双室MFC,以剩余污泥热处理上清液为基质进行启动和运行,通过改变电池阴极电子受体而导致电势差变化来监测其产电的运行稳定性.结果表明,反应器以氧气作为阴极电子受体148 h后启动成功,最大输出电压0.24 V,将阴极电子受体换为铁氰化钾时,能获得0.66 V的最大输出电压和4.21 W·m~(-3)的最大功率密度.当将阴极电子受体分别替换为氧气或者开路,又转换为铁氰化钾后,电池输出功率恢复迅速,电池对有机物去除效率基本不受影响,对化学需氧量(COD)、氨氮去除效率分别达70%和80%.本研究表明,利用预处理剩余污泥进行MFC处理和产电是可行的,可获得较高的功率密度,同时MFC可以实现不连续供电.     

1株产电假单胞菌（Pseudomonas sp.）RE7的分离及特性研究

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阳极微生物的种类和作用机制对MFC的产电性能有着重要的影响.从已稳定运行1 a的MFC的阳极室分离得到1株电化学活性革兰氏阴性细菌——菌株RE7,其16S rRNA基因序列与Pseudomonas aeruginosa strain CMG 587有99%同源性,属于假单胞菌属（Pseudomonas sp.）.利用菌株RE7构建的MFC的稳定产电和循环伏安曲线测定结果都表明,菌株RE7具有较强的电化学活性,利用菌株RE7构建的MFC的最大输出电压为352 mV,相应的最大面积功率密度为69.2 mW/m²,体积最大功率密度为6.2 W/m³.由不同稀释比例的MFC排出液的产电效果比较可知,菌株RE7极有可能是通过自身分泌的氧化还原类物质进行电子传递.     

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).