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.     

微生物燃料电池构造研究进展

微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)的研究在近几年获得了快速发展.产电微生物在厌氧条件下氧化底物释放电子和质子,电子通过导线传递给阴极,从而在外电路中形成电流,而质子通过质子交换膜进入阴极与电子和氧气结合生成水.微生物燃料电池的研究与应用开发涉及到从微生物、电化学到材料学和环境工程等科学领域的交叉,特别是废水处理能与微生物产电相结合的研究成果,使污水、污泥、垃圾等环境污染物的治理有可能成为生物质能源的生产过程,展示了微生物燃料电池的广泛应用前景.本文着重综述微生物燃料电池在构造上的进展,并介绍了其在水处理中的应用前景.图8参56     

超声预处理对剩余污泥微生物燃料电池性能的影响

为了实现剩余污泥资源化,本实验采用了超声波破壁的预处理方式,构建了以剩余污泥破壁处理混合液为阳极液和以KMn O4溶液为阴极液的序批式双室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFC).将MFC的输出功率密度和COD去除速率作为电池性能的考察指标,研究了超声预处理和投加污泥量对MFC性能的影响.结果表明,随着对投加污泥预处理比(超声预处理污泥量占投加污泥量的比例)和投加污泥浓度的上升,MFC的输出功率密度和COD去除速率也随之上升,在100%污泥预处理比下输出功率密度峰值为296 m W·m-2(Rext=1000Ω);平均COD去除速率为90 mg·L-1·d-1.在投加污泥浓度为8000 mg·L-1时,输出功率密度峰值为476 m W·m-2(Rext=1000Ω);平均COD去除速率为100 mg·L-1·d-1.由实验结果分析,采用超声波破壁预处理高浓度的剩余污泥作为燃料搭建MFC,可提高微生物燃料电池的产电性能和COD去除速率.     

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.     

固定化微生物脱氮技术进展

:氮污染已日益严重 ,但现有的生物脱氮技术存在许多问题。因此世界各国研究者纷纷研究改进技术 ,硝化细菌和反硝化细菌固定化生物脱氮是其中一个主要的研究方向。文章综述了固定化微生物脱氮技术的研究进展 ,包括固定介质、主要的固定化方法和技术以及固定化微生物在废水生物脱氮方面的应用。     

微生物燃料电池处理含硫废水的研究进展

随着工业的快速发展及化石能源的大量消耗,迫切地需要寻找一种可持续发展的绿色节能技术来替代不可再生能源.微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)以其处理难降解废水的同时产生电能的优势引起了人们的广泛关注,成为近几年的研究热点,而含硫废水一直以来是废水处理的难点.本文回顾了MFC生物除硫的发展历程,...     

阳极初始pH值对沉积型微生物燃料电池运行特性的影响

以太湖蓝藻水为主要处理对象,研究阳极区pH值对沉积型微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell,SMFC)运行特性的影响.结果表明,SMFC系统阳极的碱性条件有利于功率密度的提高及污染物的去除.阳极初始pH值为5.5和8.5时,系统稳定运行功率密度和COD、VSS的去除率分别为3.5mW·m-2、7.3%、4.2%和5.4 mW·m-2、11.5%、9.2%.系统功率密度与污染物去除率呈正相关,污染物去除率越大,系统功率密度越高.     

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     

菲对沉积型微生物燃料电池电能输出及污染物去除的影响

结合极化曲线和全电池电化学交流阻抗测试,研究了菲对沉积型微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell,SMFC)体系电能输出和COD去除率的影响.结果表明,当菲浓度为0、0.5、1.0、5.0、10.0 mg·L-1时,体系输出电压峰值分别为186.1、283.4、136.7、112.7、74.7 m V,COD去除率分别为30.8%、39.4%、26.7%、23.5%和22.0%,库伦效率则为5.4%、7.1%、4.1%、2.7%和2.1%.SMFC体系的电能输出、污染物去除和库伦效率随菲浓度升高,先促进后抑制,0.5 mg·L-1菲可促进电能输出.电化学交流阻抗谱测试结果表明,0.5 mg·L-1菲体系的欧姆内阻、活化内阻和浓差极化内阻均最小,分别为20.79Ω、14.94Ω和106.8Ω,其表观内阻主要由扩散或浓差极化内阻构成,其次为欧姆内阻,阳极氧化反应和阴极还原反应的活化内阻所占比例最小.     

外阻对污泥微生物燃料电池产电以及有机物降解的影响

重点考察了不同外阻（10、150和1 000Ω）对污泥微生物燃料电池（sludge microbial fuel cell,SMFC）产电性能及有机物去除速率的影响。结果表明,外阻对电池产电和有机物降解有显著影响,低电阻有利于电流产生及有机物消耗。当外阻为10Ω时,输出电流最高（4.2 mA）,且污泥溶解性化学需氧量（SCOD）去除速率最快（53 mg.d-1）。DGGE图谱显示,不同外阻导致阳极微生物菌落结构有明显差异;CV扫描发现外阻对生物膜氧化还原能力有显著影响,低电阻下运行的阳极生物膜氧化还原活性较强。本研究为理解外阻与阳极生物膜间的关系提供一条有益线索,也为MFC性能提高提供一条可操作性的途径。     

氮掺杂多孔碳材料阳极制备及其在微生物燃料电池上的应用

微生物燃料电池(MFCs)作为一种可以替代传统能源的生物电化学系统引起研究者的极大兴趣,其阳极材料的构造是目前的研究热点.本文从改善阳极材料表面物理化学性质的角度出发,用吐司作为多孔碳前驱体,三聚氰胺为氮源,直接烧制氮掺杂三维碳材料,并与不添加氮源的阳极材料和未改性的商用碳布进行比较.制备的掺氮NB1000阳极具有较大的比表面积(216.664 m²·g^-1)和优良的电导率.利用Geobacter和Shewanella混合菌落在微生物燃料电池(MFCs)中进行培养和性能评价,NB1000阳极的微生物燃料电池最大面功率密度为3049.714 mW·m^-2,电流密度为7.4464 A·m^-2,分别是普通碳布阳极的6.54倍和1.54倍.结果表明,NB1000作阳极的MFCs具有较高的功率密度,主要归因于阳极中引入氮掺杂,促进了产电微生物胞外电子传递过程所需的外膜c型细胞色素OmcA和MtrC的分泌.     

还原性硫化物微生物燃料电池偶联偶氮染料降解

以处理实际废水中的还原性硫化物以及染料废水中的偶氮染料为目的,构建了一个双室微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC),阳极室接种硫氧化菌,阴极室以甲基橙(MO)作为电子受体,同时进行还原性硫化物生物氧化偶联偶氮染料降解.阳极接入硫氧化菌的MFC在外电阻为1 000Ω,甲基橙溶液浓度为50 mg L-1时,以4 d为一个反应周期,通过采集电池电压(V)、光谱扫描和循环伏安(CV)扫描来考察实验MFC的效率以及扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)来观察阳极生物膜.结果表明,阳极接种MFC的内阻为400Ω,最大电流密度和最大功率密度可分别达到656.25 mA m-2和120.76 mW m-2,而阳极未接种的空白MFC仅能达到259.38 mA m-2和34.81mW m-2.一个周期结束时,还原性硫化物完全被氧化,偶氮染料颜色由红色变为透明.SEM显示阳极碳毡上细菌的形态为杆状.综合以上结果,可说明可以通过MFC将还原性硫化物氧化并将偶氮染料进行降解.     

基于铁还原菌的微生物燃料电池研究进展

微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)是未来理想的发电装置,而铁还原菌是目前MFC研究中重要的产电微生物.自然界中并无微生物产电的直接进化压力,而MFC电极与自然界中Fe(III)氧化物同为难溶性胞外电子受体,研究表明,铁还原菌对二者的还原有相似机制.基于铁还原菌的MFC具有无需外加介体,可利用多种有机电子供体作为燃料,能量转化率高等优点.本文分析了铁还原菌还原电极和还原Fe(III)氧化物机制的相似性,对近年来基于各种铁还原菌的MFC研究进展进行分述和总结,提出了铁还原菌MFC的发展趋势和研究方向.     

微生物燃料电池还原二氧化铅及产电研究

为探究二氧化铅在微生物燃料电池(Microbial fuel cell,简称MFC)中的还原及对产电性能的影响,采用电沉积法成功制备了钛基二氧化铅(PbO2/Ti),并将其作为阴极材料应用于双室MFC.二氧化铅的价态、晶型、形态特征以及电化学特性分别采用X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射光谱(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和循环伏安扫描(CV)进行分析,MFC的产电能力通过COD的去除、输出电压和极化曲线进行表征.结果显示,在以PbO2/Ti为阴极的MFC中COD的降解率可以达到87.68%,明显高于纯钛板的对照(71.4%).当外阻为1 000Ω时,最大输出电压达到760 mV,约为对照的30倍.最大功率密度达379 mW m–2,相应的电流密度为1 185 mA m–2.同时,PbO2被还原为PbO和Pb3(PO4)2.由此可见,二氧化铅由于其具有的强氧化性可作为廉价高效的阴极材料应用于MFC,从而大大提高MFC产电能力.     

沣河水系脱氮微生物群落结构研究

河流水体氮素的超负荷不仅破坏了水体生态环境,也严重威胁着人类的生存和发展.水体中有机氮、无机氮（氨氮、亚硝氮、硝氮）和分子氮之间的转化（氮循环）有赖于水体中大量的氮循环微生物（固氮细菌、硝化细菌和反硝化细菌）,然而这些氮循环微生物的生长繁殖也受到包括氮素的形态和浓度在内的多种环境因子的影响,这些因素也通过影响氮循环微生物的生长繁殖进而使得水体中氮素的转化速率发生变化,对水体氮污染的防治有不可忽视的作用.本研究通过在沣河设置不同的研究断面,采集水体样品,进行水质分析,并通过现代分子生物学技术（PCR-DGGE）方法对研究断面水体中氮循环微生物（固氮细菌、硝化细菌和反硝化细菌）的群落结构进行分析.再通过统计学软件对所得分子生物学信息与水质环境因子的相关性进行统计学分析,发现沣河水体中氮循环微生物群落结构受到多种环境因子共同影响,且在枯水期和丰水期表现出不同的特征.在丰水期沣河水体中,硝化细菌群落在中游表现出较高的多样性和丰富性,这与沣河中上游农业COD（化学需氧量）、BOD（生化需氧量）氨氮及有机氮污染物排放量较大,沣河水体DO（溶解氧）高有关.水体中的氨氮、亚硝氮、温度的增加是促进水体中硝化细菌的均匀性和丰富度的增高的主要因子,而pH 值的升高,使得水体中硝化细菌的均匀性和丰富度降低.反硝化微生物在中游和下游的多样性和丰富度较高,与有机物及硝酸盐含量相关.水体中的BOD、COD、TP（总磷）、硝氮的增加是促进水体中反硝化细菌的均匀性和丰富度的增高主要相关因子,而DO 的增多则会对部分反硝化细菌产生不利影响,使得水体中反硝化细菌的均匀性和丰富度降低.本研究结果为沣河以及其他河流的污染控制以及基于微生物的生态修复提供了科?     

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.     

微生物燃料电池阳极电极的新型材料与修饰方法

近年来,微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)发展迅速,然而其功率输出仍然较低,其主要限制因素为接种物的活性及电极材料的选择.阳极电极常被作为有效的微生物载体,并介导电子的快速传递;因此使用新型的电极材料或修饰方法将成为提高MFC效率的重要手段.根据材料的物理特性及改性方法,将阳极电极材料划分为5类:修饰后的传统碳电极材料、石墨烯修饰电极材料、天然生物质电极材料、碳纳米管修饰电极材料以及金属修饰电极材料,并着重介绍了其中的热点——石墨烯修饰电极材料与碳纳米管修饰电极材料.通过分析,归纳出部分能够促进微生物燃料电池电化学表现的优异性能,例如强导电性、生物相容性、高比表面积及耐腐蚀性等;同时,修饰过后的纳米材料、石墨烯材料及三维大孔材料将成为日后的研究重点.未来,研究者们在选择电极材料的时候,应当同时考虑性能的差异性和成本的可控性.人们只有将新材料及改性方法投入到实际的大规模应用中,才能合理有效地实现废水处理及生产清洁能源的目的.(图6表5参117)     

石墨烯掺杂生物阳极微生物燃料电池的产电性能

本文通过真空过滤含有石墨烯的产电菌悬液直接在不锈钢网(SSM)表面形成石墨烯掺杂生物阳极,并运行单室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)考察其对体系运行性能的影响.实验结果表明,向生物膜中掺杂石墨烯可有效缩短MFC的启动时间,降低阳极的内阻,提高阳极生物膜内的电子传递效率.与纯生物膜阳极体系相比,随着掺杂量的增加,石墨烯掺杂生物阳极MFC体系的阳极电荷转移电阻(Rct)依次降低,由29.3Ω降低到18.1Ω,体系的库伦效率(CE)由50.03%增大到73.97%,体系的最大功率密度(Pmax)由纯生物膜阳极体系的118 m W·m~(-2)增大到588 m W·m~(-2).