外加酶强化剩余污泥微生物燃料电池产电特性的研究

以剩余污泥作为接种液和基质,探讨了外加酶(中性蛋白酶、α-淀粉酶)强化单室型剩余污泥微生物燃料电池产电效率的可行性,研究了酶投加量对微生物燃料电池的产电特性及剩余污泥减量的影响.结果表明,在相同条件下,实验组产生的最大功率密度远远高于对照组;当酶的总投加量为10 mg.g-1时,最大输出功率密度及污泥水解效率达到最大,即中性蛋白酶组的最大功率密度、库仑效率、TCOD去除率、TSS去除率、VSS去除率分别为507 mW.m-2、3.98%、88.31%、83.18%、89.03%,而α-淀粉酶组则分别为700 mW.m-2、5.11%、94.09%、98.02%、98.80%.本实验采用向剩余污泥中投加酶的方法,成功增强了微生物燃料电池的产电效率,同时对剩余污泥有效地进行了处理,为微生物燃料电池的实际应用提供了新途径.     

CaO2促进MFC同步处理剩余污泥和六价铬废水的效能

为了提高剩余污泥降解效能和废水中六价铬还原效能,研究了CaO₂对微生物燃料电池同步处理剩余污泥和六价铬废水的影响,考察了不同CaO₂投加量下微生物燃料电池阳极剩余污泥的降解效能、阴极六价铬的还原效能及产电效能.结果表明,当阳极室CaO₂投加量分别为0,0.1,0.2,0.4,0.6,0.8gCaO₂/gVSS时,运行120h后,阴极六价铬还原率分别为73.38%,78.91%,99.47%,97.70%,97.04%,96.37%,运行30d后,阳极剩余污泥TCOD降解率分别为72.4%,76.9%,81.0%,78.2%,75.7%,74.2%.证明投加CaO₂后,六价铬还原率和TCOD降解率都有提高.当投加量为0.2gCaO₂/gVSS时处理效能最好,输出电压最大为1.15V.六价铬还原率提高了36.08%,TCOD降解率提高了11.88%.此外,投加CaO₂后微生物燃料电池电化学活性有所提高,表明CaO₂投加对电池电子传递过程有促进作用.结果说明CaO₂有利于提高对微生物燃料电池同步处理剩余污泥和六价铬废水效能.     

一株产电菌嗜根考克氏菌(Kocuria rhizophila)的分离及其产电性能优化

本研究以天津泰达污水处理厂污泥浓缩间的污泥为接种物,启动并运行了微生物燃料电池(MFCs).从富集的阳极生物膜上分离得到了一株纯培养的微生物菌种,命名为P2-A-5.研究发现,菌株P2-A-5的16S rDNA序列与菌株Kocuria rhizophila DC2201具有100%的同源性,结合该菌的形态特征和生理生化实验,将其归属为嗜根考克氏菌(Kocuria rhizophila).通过化学剂处理、底物种类和浓度的优化,进一步提高其在微生物燃料电池中的产电性能.结果表明,菌株K.rhizophila P2-A-5经0.5 mg·L-1溶菌酶处理45 min后,接种到以2.0 g·L-1海藻糖为底物的阳极液中运行MFCs,其功率密度达到314.8 m W·m-2,比优化前(74.9 m W·m-2)提高了320.3%.这是首次对K.rhizophila种内微生物产电性能及其在微生物燃料电池中应用的报道,其成果对于丰富产电微生物的多样性,挖掘更多具有高电化学活性的微生物菌种,提高其产电性能具有重要的理论意义.     

阳极初始电势对微生物燃料电池产电的影响

在微生物燃料电池中,阳极电势会对产电菌的富集和生长产生影响.为进一步明确阳极电势的作用,确定适合微生物生长的最佳阳极电势,在微生物燃料电池的阳极室中设置附加电路以改变阳极的初始电势,考察阳极初始电势对产电微生物的影响.将阳极初始电势设为350 mV时,产电微生物的生长明显变慢.而阳极初始电势为-200 mV和200 mV时,微生物的生长速度基本相同.稳定运行后,阳极初始电势分别为350、200和-200 mV的微生物燃料电池,阳极内阻分别为71、43和80 Ω.通过变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析微生物燃料电池稳定产电前后阳极微生物群落结构,虽然3个微生物燃料电池的阳极初始电势不同,但稳定后微生物群落结构相似,Clostridium sticklandii、Pseudomonas mendocina、Paenibacillus taejonensis在阳极的富集量最多,MFC对这3种细菌的强化富集作用最明显.     

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.     

微生物燃料电池中产电微生物电子传递研究进展

微生物燃料电池集产电和污水净化为一体,作为一种新型的能源回收技术得到人们的广泛关注。从微生物燃料电池工作原理来看,电子能否顺利地传递到阳极表面对于电流的产生起着关键作用。因此,本文重点阐述了电子在产电微生物体内产生的途径、电子从微生物体内向阳极传递的不同方式以及阳极材料对产电微生物附着和电子传递的影响。从生物化学、电化学和材料学上对产电微生物体内的电子到阳极整个过程进行全面的综述。明确电子传递的关键环节,为新型高效阳极材料的开发提供思路。     

双室MFC同时处理活性污泥及氨氮废水的研究

为了探究双室微生物燃料电池同时处理活性污泥及氨氮废水的性能及机理,利用微生物燃料电池阳极室处理活性污泥,阴极室处理氨氮废水。分析了阳极室不同灭菌与未灭菌污泥的添加比例,阴极室是否接种硝化菌及不同氨氮初始浓度下微生物燃料电池的产电特性,通过各反应器的电流密度、功率密度及极化曲线变化来分析微生物燃料电池的最佳运行条件。通过化学需氧量(COD)、氨氮、微生物群落差异化分析微生物燃料电池处理活性污泥及氨氮废水的性能。结果表明:微生物燃料电池在阳极灭菌污泥与未灭菌污泥比例为1∶10时,阳极室COD去除率均达到80%以上,此时阴极室接种硝化菌且氨氮初始浓度为50 mg/L的条件下产电效果最好,获得电流密度峰值为366.38 m A/m~2,且峰值持续时间最长;当阴极接种硝化菌时,不同的阴阳极室条件下阴极室氨氮都可以完全去除。     

双筒型微生物燃料电池产电及污水净化特性的研究

构建了双筒型微生物燃料电池并考察了产电和污水净化特性,在此基础上考察不同阳极填料对微生物燃料电池产电的影响.通过稳态放电法和电流中断法测量得到微生物燃料电池的内阻,以颗粒石墨作为阳极填料的双筒型微生物燃料电池内阻为38.9 Ω,阳极内阻、欧姆内阻和阴极内阻分别为5.1、 14.1和18.7 Ω,最大产电功率密度为6 253　mW/m³,双筒型微生物燃料电池的构型能有效提高单位体积质子膜面积.双筒型微生物燃料电池对COD的去除负荷为1.6 kg/(m³·d),库仑效率约为10%～12%.阳极填料为大颗粒石墨、小颗粒石墨、碳毡和穿孔型碳毡的双筒型微生物燃料电池的内阻分别为47、 39、 28和33 Ω,稳定运行周期分别为20、 18、 11和18 d.从兼顾产电和稳定运行角度出发,穿孔型碳毡和小颗粒石墨更适合用作MFC阳极填料.     

不同处理方式污泥为燃料的微生物燃料电池特性研究

采用单室无膜悬浮阴极微生物燃料电池(MFC),对比分析了不同处理方式的污泥(直接污泥、微波预处理污泥和酶强化水解污泥)为燃料时MFC产电特性、污泥减量化效果和能源效率.研究表明,酶强化污泥为燃料的MFC(ESMFC)产电周期最长(41d),功率密度最大(775.21mW/m2),但库仑效率(CE)仅10.58%.采用微波污泥为燃料的MFC(MSMFC)CE最高(84.6%),而产电周期(30d)和功率密度(343.41mW/m2)居中.采用直接污泥为燃料的MFC(SMFC)产电周期(15d)、功率密度(294.53mW/m2)和CE(5.8%)均最小.采用直接污泥为燃料的MFC中TCOD去除率为26.2%,VSS去除率为32.5%.采用污泥预处理手段有利于促进污泥减量化,MSMFC和ESMFC中TCOD去除率分别增加到58.5%和63.2%,VSS去除率分别增加到73.9%和77.1%.     

污泥厌氧发酵液燃料电池的性能及电子供体分析

采用剩余污泥厌氧发酵液为阳极燃料、铁氰化钾溶液为阴极电子受体,成功启动了双室微生物燃料电池(MFC).考察了厌氧发酵过程中剩余污泥上清液中各种挥发性脂肪酸(VFAs)含量的变化,研究分析了污泥厌氧发酵液燃料电池的产电过程、燃料消耗及电子供体. 结果表明,污泥厌氧发酵液中乙酸含量最高(约占总VFAs的50%),异戊酸和丙酸含量次之(分别约占总VFAs的18%及15%),正丁酸和异丁酸含量较少(均低于总VFAs的10%),正戊酸含量最低(低于总VFAs的1%);MFC实现了250h稳定电压输出(0.65±0.05V),库伦效率为9.09%;阳极总化学需氧量(TCOD)、溶解性化学需氧量(SCOD)、VFAs均呈现整体下降趋势, TCOD和SCOD的去除率分别为74.9%和86.4%; VFAs的完全消耗伴随着反应器产电性能迅速变差,表明VFAs是主要电子供体;在MFC产电过程中, VFAs的消耗与产生同时存在,消耗总体快于产生;各种VFAs消耗快慢依次为:乙酸>正丁酸>丙酸>正戊酸>异戊酸>异丁酸.     

不同方式预处理污泥对微生物燃料电池的影响

为了探究不同预处理方式污泥对MFC（microbial fuel cell,微生物燃料电池）的影响,采用双室MFC反应器构型,以不同预处理方式的污泥作为MFC的底物基质,包括热处理污泥、废碱渣预处理污泥、未处理污泥,并设置静态试验组污泥（开路试验）,考察MFC的产电性能（电压、电功率密度）、pH、COD_Cr、总悬浮物（TSS）、挥发性悬浮物（VSS）、EPS（胞外聚合物）以及三维荧光等参数的变化规律.结果表明:①在所设外电阻条件下（1 000 Ω）,MFC的最大启动电压可达0.3 V;②废碱渣预处理污泥的最大功率密度可达70.1 mW/m2,热处理污泥的最大功率密度可达60.1 mW/m2,预处理后污泥的性能优于未处理污泥;③热处理污泥、废碱渣预处理污泥、未处理污泥以及静态试验组污泥的pH总体呈下降的趋势,废碱渣预处理污泥及热处理污泥总悬浮物和挥发性悬浮物的去除率均高于未处理污泥,且COD_Cr有类似的变化规律.在此基础上,进一步分析污泥EPS的组成成分以及三维荧光光谱图的特性发现,污泥EPS中蛋白质质量浓度最高,并且腐殖酸能够在一定程度上辅助胞外电子基团的转移,三维荧光光谱图也证实了不同预处理方式污泥随厌氧消化过程的变化规律.研究显示,将废碱渣预处理的污泥作为MFC的底物,不仅降低了资源能耗而且提高了MFC的产电性能,实现了综合绿色发展.      

厌氧流化床微生物燃料电池处理废水的产电特性

在内径40mm、高600mm的液固厌氧流化床空气阴极单室微生物燃料电池(MFC)中,分别以污水和椰壳活性炭为液相和固相,采用间歇运行方式,考察了接种厌氧污泥条件下流化状态对电池产电性能的影响.实验结果表明,固定床条件下,电池启动迅速.初始电压为200mV,80h后电压急剧上升,100h后电池开路电压稳定在700～900mV之间.对比电压和功率密度随电流强度变化的曲线知,电池启动成功后,固定床状态下,电池最大输出功率密度随污水循环流速的增加而增大.床层颗粒由固定状态转变为流化状态后,电池最大输出功率密度由初始值120mW·m-3增加至220mW·m-3,说明流化床可以改善MFC阳极室内传质效果,加快反应速率,提高MFC产电性能.     

剩余污泥为底物的微生物燃料电池处理含铜废水

以剩余污泥作为阳极底物,CuSO4溶液为阴极溶液构建了双室有膜微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC),研究了MFC的启动,污泥的降解,Cu2+的去除和阴极还原产物的性质.结果表明,Cu2+可作MFC的阴极电子受体,在外电路电阻为1 000 Ω,Cu2+浓度为6 400 mg/L的条件下获得的稳...     

Effect of seed sludge on characteristics and microbial community of aerobic granular sludge

Aerobic granular sludge was cultivated by using different kinds of seed sludge in sequencing batch airlift reactor.The influence of seed sludge on physical and chemical properties of granular sludge was studied;the microbial community structure was probed by using scanning electron microscope and polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis(PCR-DGGE).The results showed that seed sludge played an important role on the formation of aerobic granules.Seed sludge taken from beer wastewater treatment plant(inoculum A) was more suitable for cultivating aerobic granules than that of sludge from municipal wastewater treatment plant(inoculum B).Cultivated with inoculum A, large amount of mature granules formed after 35 days operation, its SVI reached 32.75 mL/g, and SOUR of granular sludge was beyond 1.10 mg/(g·min).By contrast, it needed 56 days obtaining mature granules using inoculum B.DGGE profiles indicated that the dominant microbial species in mature granules were 18 and 11 OTU when inoculum A and B were respectively employed as seed sludge.The sequencing results suggested that dominant species in mature granules cultivated by inoculum A were Paracoccus sp., Devosia hwasunensi, Pseudoxanthomonas sp., while the dominant species were Lactococcus raffinolactis and Pseudomonas sp.in granules developed from inoculum B.     

微生物燃料电池在废水处理中的应用

微生物燃料电池(MFC)利用微生物催化剂将其代谢能直接转化为电能,具有原料广泛、反应条件温和、清洁高效等优点。目前该领域仍处于实验阶段,研究用于污水处理的MFC的性能及其影响因素,对其实际应用有重要的指导意义。本研究以厌氧活性污泥为菌源,醋酸钠为底物,考察影响微生物燃料电池(MFC)处理模拟有机废水的主要因素及处理效果。结果表明:该MFC在产电的同时净化废水,其输出功率密度、产电量与初始COD呈函数关系,混合菌群可降低反应初期溶解氧对COD去除率和pH的影响。     

基质浓度·电极距离·离子强度对MFC影响的研究

以宜兰酒厂废水处理厂的污泥为菌种来源,构建单槽无膜无介体空气阴极型微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC),通过添加小同浓度的基质、改变阳极与阴极距离及添加不同浓度的NaCl,分别考察了基质浓度、电极距离、离子强度对MFC性能的影响.研究结果表明,伴随基质COD浓度的增加(从300 mg/L增到...     

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.     

冻融处理对不同阴极构型MFC产电及有机物降解的影响

为了研究不同阴极构型的微生物燃料电池(MFC)处理剩余污泥时的产电以及有机物降解情况,构建了铁氰化钾双室MFC以及生物阴极双室MFC两套系统,分析了两套系统处理剩余污泥时电压、功率密度以及有机物变化及降解情况.结果表明,处理冻融污泥时,铁氰化钾双室MFC8h达到稳定电压0.726V,运行6d时SCOD达到峰值3771.4mg/L,此时最大功率密度最高为10.3W/m3,周期结束(20d)TCOD去除率为70.3%;生物阴极双室MFC运行3d达到稳定电压0.76V并持续22d后下降,15~20d时SCOD达到峰值4538.0mg/L,并获得最高的最大功率密度13.7W/m3,周期结束(30d)去除80.6%的TCOD.相对于铁氰化钾双室MFC,生物阴极双室MFC能够更为彻底的促进污泥有机物溶出并利用其产电,对溶解性碳水化合物利用以及有机物的降解得更为彻底,同时更利于MFC系统的长期稳定运行.