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.     

厌氧发酵污泥燃料电池处理含铬废水的效能及机理

以厌氧发酵污泥为阳极底物、Cr(VI)为阴极电子受体构建双室微生物燃料电池(MFC),考察厌氧发酵污泥MFC系统处理含铬废水的性能及机理,并与原污泥MFC系统进行比较.发酵污泥MFC系统的开路电压为1.05V,最大功率密度为5722mW/m3,比原污泥MFC系统提高了57.8%.发酵污泥MFC系统的表观内阻为119.1Ω,比原污泥MFC系统降低了8.5%.发酵污泥MFC系统对Cr(VI)的去除符合一级动力学模型,速率常数为0.0514h-1,比原污泥MFC系统提高了36.7%.污泥经厌氧发酵后可溶性有机物浓度增加,产生了大量短链脂肪酸,它们是产电微生物易于摄取的阳极底物,因而提高了MFC系统的产电性能及Cr(VI)去除效果.     

活性炭优化生物阴极提升微生物燃料电池产电性能

对双室好氧生物阴极微生物燃料电池的阴极电极材料进行了优化.使用碳纤维刷阴极启动,进入稳定期后向反应器阴极室投加活性炭颗粒(T2)和活性炭粉末(T3),以提升微生物燃料电池的产电性能.实验结果表明,向阴极投加活性炭可以迅速提高微生物燃料电池的输出电压.投加活性炭颗粒后,T2的开路电压和最大功率密度分别提高了42%和237%;投加活性炭粉末后,T3的开路电压和最大功率密度分别提高了12%和42%.优化后的微生物燃料电池对COD的去除率分别是91.5%、90.3%,库仑效率分别提高了54.4%和17.9%.投加活性炭颗粒效果更好,可以显著提高微生物燃料电池产电性能,同时提高微生物燃料电池的COD去除率和库仑效率.     

两类微生物燃料电池治理硝酸盐废水的实验研究

采用二氧化铅阴极单室微生物燃料电池(MFC)和双室MFC,以葡萄糖为唯一电子供体,系统研究了两类微生物燃料电池的产电性能和去除硝酸盐的情况.结果表明,双室MFC闭合后,阳极室降解葡萄糖产生的电子可通过外电路传递到阴极,在生物的作用下,NO3--N得到电子被还原,平均反硝化速率达3.77 mg·L-1·d-1.双室MFC...     

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.     

微生物隔膜在生物阴极MFC中的应用及效能评价

本文构建了2.0L具有微生物隔膜的模块化生物阴极微生物燃料电池（MFC）,以实际生活污水为底物,在连续流运行模式中,系统考察了微生物隔膜（MS）在MFC长期运行过程中的功能特征.结果表明：发育成熟的微生物隔膜可以稳定维持MFC阴阳极室间的溶解氧（DO）浓度梯度,使阳极室平均DO浓度低于0.5mg/L,同时使完全混合的阴极室COD浓度低于50mg/L,避免了电解液性质对于电极反应的抑制.微生物隔膜可以实现离子的跨隔膜迁移,进而平衡阴阳极室间的pH值;阴阳极室间存在的跨隔膜离子梯度意味着微生物隔膜完全分隔了两极室内不同的微生物代谢类型,阴极快速的好氧代谢可能导致了阴极室离子强度的降低.微生物隔膜对于MFC中COD和DO梯度的保持以及pH值的平衡起到了决定性作用,这将严格保证MFC的正常运行.同时,本文论述了在面向规模化应用的MFC中装配微生物隔膜的巨大技术与经济优势,综合评价了微生物隔膜的效能特征,为进一步推广面向实际废水处理的微生物电化学设备提供了技术支撑.     

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.     

基于微生物燃料电池的污泥热值检测系统

针对现有的污泥热值分析方法所需仪器复杂、检测步骤繁琐、耗时长等问题,开发了一种基于微生物燃料电池(MFC)的污泥热值检测系统,考察了该系统用于污泥热值检测的可行性.结果表明,以污泥为底物的MFC运行良好,在最佳外阻(300Ω)下可以得到较高的输出功率.MFC可在较短的时间内(2~14h)完成启动,并在最大电流下持续稳定运行56h以上.污泥热值与MFC的产电电流呈现良好的线性相关性,由此确定出估算污泥热值的计算公式,可以准确估算污泥热值.     

双室微生物燃料电池利用乙酸钠和淀粉产电研究

研究了厌氧活性污泥接种的双室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs) 分别供给以乙酸钠和淀粉为底物的人工配水的产电情况和有机物去除效果. 结果表明,MFCs中能量的输出与底物的种类有关,使用乙酸钠和淀粉达到的最大输出电压分别为0.43和0.39 V,最大功率密度分别为36.03和 6.32 mW/m2,简单底物的输出电压和功率密度高于复杂底物. MFCs在产电同时还可有效去除水中的有机物,288 h时以乙酸钠和淀粉为底物的MFCs中TOC的去除率分别为91.15%和83.20%,NH₃-N的去除率分别为90.31%和86.20%. 扫描电镜发现,2种底物下MFCs阳极表面的微生物形态差异显著,以乙酸钠为底物的MFCs阳极表面生物相主要为杆菌和弧菌;以淀粉为底物的阳极表面主要是球菌,表明不同底物条件下MFCs中所形成的微生物优势种群也不同.      

铁氮掺杂碳纳米管/纤维复合物制备及其催化氧还原的效果

阴极催化剂是影响微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)性能的关键因素.通过研究制备成本低廉、氧还原反应(ORR)催化活性高的阴极催化剂来替代Pt/C对于实现MFC规模化应用具有重大意义.研究采用化学气相沉淀法,以三聚氰胺作为碳氮前驱物、以黑珍珠2000或乙炔炭黑作为碳源,外加醋酸亚铁作为铁前驱物,合成了两种铁氮掺杂碳纳米管/纤维复合物(FeNCB和FeNCC),作为MFC的阴极催化剂.通过循环伏安法和旋转圆盘-环电极分析FeNCB、FeNCC和Pt/C的ORR催化活性的差异,并用MFC验证其差异.结果表明,FeNCB性能与Pt/C相当,优于FeNCC,其催化路径是通过4电子途径催化氧还原反应;MFC-FeNCB性能略优于MFC-Pt/C,显著优于MFC-FeNCB有助于MFC的扩大化,其最大功率密度为1 212.8mW·m~(-2),开路电压为0.875 V,电池稳定电压为(0.500±0.025)V.用X射线衍射、X射线光电子光谱、拉曼光谱等进一步分析显示,复合物中碳纳米管管径的大小、铁氮掺杂的类型和含量以及氧含量是引起制备的复合物催化氧还原性能差异的原因所在.     

微生物燃料电池恒电流预培养阳极生物膜分析表征

阳极性能是影响微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)性能的关键因素之一,同时阳极的接种挂膜过程是影响微生物燃料电池启动效率的关键因素.因此,本课题组提出了预培养阳极作为微生物燃料电池的一种新型阳极的概念,在三电极体系下,通过外加恒定电流预培养阳极,在不同条件下对阳极表面进行电化学选择和生物膜驯化以丰富生物膜结构和厚度.结果表明,阳极的性能与预培养电流大小密切相关,预培养阳极CF-4i(外加4 A·m-2电流密度)通过循环伏安法、塔菲尔曲线、电化学阻抗谱测试,性能好于其他测试组及对照组,装配阳极CF-4i的微生物燃料电池能实现最大功率密度968.20 m W·m-2,是对照组的2.53倍.同时,通过共聚焦显微镜观察发现,生物膜大体分两层,外层的活细胞及内层的死细胞,外层活细胞长在内层死细胞之上.这种结构分布表明,阳极生物膜中的活细胞部分绝大多数都分布于生物膜的外侧,而不是均布于整个阳极生物膜中;同时这也表明不是整个阳极生物膜都具有新陈代谢活性,但死亡的细胞可以继续积累在电极表面附近,活的外层膜负责电流的产生,而内层的死细胞作为一种导电基质.     

串联微生物燃料电池的电压反转行为

微生物燃料电池是一种处理废水同时产电的具有广阔应用前景的新型水处理技术,其串联是产生更高电压的有效方法之一,但是会产生电压反转现象降低串联微生物燃料电池的性能.文章将二极管引入串联微生物燃料电池中以考察电压反转的行为.结果表明,不同的串联微生物燃料电池中均会发生电压反转.串联正向二极管的微生物燃料电池的电压反转行为与没...     

剩余污泥燃料电池处理含铬废水的效能及机理

采用剩余污泥为阳极底物,六价铬为阴极电子受体,构建双室微生物燃料电池(MFC).MFC启动成功后,考察阳极室污泥初始浓度和阴极室六价铬初始浓度对MFC产电性能及六价铬还原速率的影响.较高的污泥浓度(8~12g/L)对六价铬的还原速率影响均较小,且去除率均可达99%以上.污泥浓度为10g/L的MFC具有较高的产电性能,内阻为108Ω,最大功率密度输出为3621mW/m3.阴极室较高的Cr(VI)初始浓度可维持较长时间的高输出电压,但对阳极污泥降解并无明显影响.XPS测试结果表明,阴极Cr(VI)的还原产物为Cr(III),因电场作用被吸附在电极片上,使得阴极溶液中的总铬浓度降低.研究表明,剩余污泥为底物的微生物燃料电池可以在产电的同时实现剩余污泥的资源化及电镀废水的无害化.     

单室空气阴极微生物燃料电池硝酸根去除系统的建立和性能研究

本文以单室空气阴极微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)处理含不同浓度硝酸根的模拟废水,研究了NO~-_3-N初始浓度和开闭路培养方式对单室MFC的启动、硝酸根去除性能和产电性能的影响.结果表明,随着NO~-_3-N初始浓度的提高,MFC的NO~-_3-N平均去除速率达到稳定值所需时间增加,NO~-_3-N平均去除速率提高.当NO~-_3-N初始浓度为200 mg·L~(-1)时,闭路组MFC的NO~-_3-N平均去除速率达到(3.52±0.28) kg·m~(-3)·d~(-1),高于相近条件下许多传统生物反应器的NO~-_3-N平均去除速率.硝酸根去除过程主要发生在MFC运行周期的前期.硝酸根对阳极生物膜中主要产电菌Geobacter的生物量没有影响.当基质充足时,所有闭路组MFC的最大功率密度相近(～27 W·m~(-3)).闭路组MFC比开路组MFC具有更高的NO~-_3-N去除速率,可能与其阳极生物膜具有电化学还原亚硝酸根能力和Thauera易在其阳极上富集有关.     

外阻对三室MFC产电性能和Cu迁移特性的影响

构建一种新型的三室微生物燃料电池（microbial fuel cells,MFCs）对重金属Cu污染的土壤进行修复,研究不同外阻条件下MFC的产电性能和土壤中Cu的迁移去除情况.结果表明,当外接电阻从100Ω增大到1000Ω时,三室MFC的输出电压从0.1V提高到0.4V,最大功率密度从1.10W/m³降低到0.71W/m³,且阴极极化现象也随外阻增大而更加显著.装置运行63d后,MFC外接电阻越大,近阳极土壤区的Cu的去除率越高,外阻为1000Ω的MFC近阳极土壤区的Cu去除率达到39.7%.通过改进欧共体标准（BCR）连续提取法分析重金属的形态,发现乙酸可提取态和可还原态为Cu迁移的两种主要形态.此外,土壤的性质也发生变化,pH值呈现由阳极到阴极逐渐升高的趋势,而电导率则相反.阴极电极的扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）结果也表明部分迁移到阴极的Cu（Ⅱ）被还原成单质Cu.     

Performance and recent improvement in microbial fuel cells for simultaneous carbon and nitrogen removal: A review

Microbial fuel cells (MFCs) have become a promising technology for wastewater treatment accompanying electricity generation. Carbon and nitrogen removal can be achieved by utilizing the electron transfer between the anode and cathode in an MFC. However, large-scale power production and high removal efficiency must be achieved at a low cost to make MFCs practical and economically competitive in the future. This article reviews the principles, feasibility and bottlenecks of MFCs for simultaneous carbon and nitrogen removal, the recent advances and prospective strategies for performance improvement, as well as the involved microbes and electron transfer mechanisms.     

文蛤对环境中TN、TP的影响及其指示微生物活性指标的确定

为确定文蛤活动对海水及沉积物中TN、TP的影响并筛选指示文蛤活动对环境中总氮、TP影响的微生物活性指标,本研究进行了围塘埋栖文蛤的现场实验以及室内模拟实验。于2009年8月在双台子河口盘山海域的滩涂高潮线附近设置了投放文蛤的实验池塘和未投放文蛤的对照池塘。于2010年8月、10月、12月及2011年5月分别采集了实验池塘和对照池塘的海水及表层沉积物,并对其进行了主要微生物活性指标(微生物生物量碳、微生物基础呼吸、海水及沉积物中细菌总数、硝化细菌和反硝化细菌数量)以及TN、TP的测定,从而确定文蛤活动对海水及沉积物中TN、TP的影响。通过相关性分析,确定能指示文蛤活动对TN、TP影响的微生物活性指标。同时进行室内模拟实验测定上述指标。通过对现场和室内模拟实验结果的综合分析发现,投放文蛤之后,海水中的TN、TP含量下降,海水及沉积物中的细菌总数下降,说明文蛤的投放对海水富营养化起到缓解的作用。此外通过相关性分析发现海水中细菌总数、沉积物中细菌总数及微生物生物量碳这3个微生物指标与海水及沉积物中TN、TP之间均具有显著相关性,可用于反应文蛤扰动对环境中TN、TP的影响。     

MFC-MBR耦合系统中SMP与EPS特性的研究

将膜生物反应器与以剩余污泥为底物的微生物燃料电池结合建立了能够有效控制膜污染的MFC-MBR耦合系统,以传统MBR作为对照研究了MFC-MBR耦合系统内泥水混合液的溶解性微生物产物(SMP)与胞外聚合物(EPS)浓度、分子量分布及荧光特性的变化情况.结果表明与传统MBR相比耦合系统中SMP与TB-EPS浓度分别升高了8.5%与9.2%,而LB-EPS浓度则降低了47.9%,并且LB-EPS中芳香性蛋白质与腐植酸的浓度也显著降低.同时还考察了传统MBR与MFC-MBR耦合系统中膜污染情况,结果发现,在传统MBR中TMP达到30KPa所需时间为38d,而MFC-MBR耦合系统则为55d.说明MFC污泥回流能够有效减缓膜污染的发生.     

Performance evaluation of microbial fuel cell for landfill leachate treatment: Research updates and synergistic effects of hybrid systems

Over half of century, sanitary landfill was and is still the most economical treatment strategy for solid waste disposal, but the environmental risks associated with the leachate have brought attention of scientists for its proper treatment to avoid surface and ground water deterioration. Most of the treatment technologies are energy-negative and cost intensive processes, which are unable to meet current environmental regulations. There are continuous demands of alternatives concomitant with positive energy and high effluent quality. Microbial fuel cells (MFCs) were launched in the last two decades as a potential treatment technology with bioelectricity generation accompanied with simultaneous carbon and nutrient removal. This study reviews capability and mechanisms of carbon, nitrogen and phosphorous removal from landfill leachate through MFC technology, as well as summarizes and discusses the recent advances of standalone and hybrid MFCs performances in landfill leachate (LFL) treatment. Recent improvements and synergetic effect of hybrid MFC technology upon the increasing of power densities, organic and nutrient removal, and future challenges were discussed in details.     

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.