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。     

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...     

阳极电势对MFC中产电的影响

在微生物燃料电池(MFC)中,与微生物接触的阳极自身电场环境就可能会对产电菌的生长和代谢产生重要影响,进而影响到MFC产电效能.为探索阳极电势的作用,本研究在微生物燃料电池的阳极室中通过设置附加电路来人为改变阳极电势,考察了阳极电势对MFC产电的影响.结果表明,当阳极电势在-380 mV降低到0 mV过程中,MFC输出功率提高.当阳极电势小于200 mV时,COD去除效率在60%~73%之间变化不大.较低或较高的阳极电势均可增加电池的库伦效率.阳极电势处于-380 mV到0 mV下,厌氧微生物主要以丙酸型发酵为主,产生大量乙酸;COD的分解和利用是分阶段进行的.不同阳极电势下MFC内阻变化主要受浓差内阻影响.阳极电势为-200 mV时欧姆内阻最低,但电化学活性较高.     

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。     

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。     

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。     

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%。     

Simultaneous bioelectricity generation and decolorization of methyl orange in a two-chambered microbial fuel cell and bacterial diversity

The objectives of this study were to investigate the simultaneous bioelectricity generation and decolorization of methyl orange (MO) in the anode chamber of microbial fuel cells (MFCs) in a wide concentration range (from 50 to 800 mg L^?1) and to reveal the microbial communities on the anode after the MFC was operated continuously for more than 6 months using MO-glucose mixtures as fuel. Interestingly, the added MO played an active role in the production of electricity. The maximum voltage outputs were 565, 658, 640, 629, 617, and 605 mV for the 1 g L^?1 glucose with 0, 50, 100, 200, 300, and 500 mg L^?1 of MO, respectively. The results of three groups of comparison experiments showed that accelerated decolorization of methyl orange (MO) was achieved in the MFC as compared to MFC in open circuit mode and MFC without extra carbon sources. The decolorization efficiency decreased with an increase of MO concentration in the studied concentration range for the dye load increased. A 454 high-throughput pyrosequencing revealed the microbial communities. Geobacter genus known to generate electricity was detected. Bacteroidia class, Desulfovibrio, and Trichococcus genus, which were most likely responsible for degrading methyl orange, were also detected.     

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.

     

生物阴极微生物燃料电池中同步产电反硝化菌的分离鉴定与性能

利用反硝化筛选培养基从稳定运行的MFC-AA/O反应器阴极板上分离纯化反硝化细菌,经16S rRNA鉴定后,接种于双室MFC的阴极,测试其产电能力以筛选同步产电反硝化细菌,之后对MFC的运行温度和pH进行优化,最后通过扫描循环伏安曲线分析其产电机理。结果表明：分离获得的一株反硝化菌经鉴定为铜绿假单胞杆菌(Pseudomonas aeruginosa),该菌可实现同步产电脱氮,最高输出电压可达168 mV左右,其脱氮反应的最优pH为7.5,最适温度为30 ℃;在生物阴极起催化产电反硝化作用的可能是Pseudomonas aeruginosa的分泌物,其作为中介体,可从电极获得电子,完成硝酸盐的还原。上述结果说明,Pseudomonas aeruginosa作为接种MFC生物阴极的纯菌,可以实现同步产电反硝化,为反硝化生物阴极MFC的实际应用奠定基础。     

Development of a hybrid microbial fuel cell (MFC) and fuel cell (FC) system for improved cathodic efficiency and sustainability: the M2FC reactor

In an effort to improve the efficiency and sustainability of microbial fuel cell (MFC) technology, a novel MFC reactor, the M2FC, was constructed by combining a ferric-based MFC with a ferrous-based fuel cell (FC). In this M2FC reactor, ferric ion, the catholyte in the MFC component, is regenerated by the FC system with the generation of additional electricity. When the MFC component was operated separately, the electricity generation was maintained for only 98 h due to the depletion of ferric ion in the catholyte. In combination with the fuel cell, however, the production of power was sustained because ferric ion was continually replenished from ferrous ion in the FC component. Moreover, the regeneration process of ferric ion by the FC produced additional energy. The M2FC reactor yielded a power density of up to 2 W m⁻² (or time-averaged value of approximately 650 mW m⁻²), density up to 20 times (or approximately six times based on time-averaged value) higher than the corresponding MFC system.     

MFC强化同步短程硝化反硝化工艺的启动

微生物燃料电池(MFC)可在阴极实现反硝化、短程反硝化和同步硝化反硝化并产生电能,但在MFC阴极实现同步短程硝化反硝化的研究尚未见到报道。为了探讨MFC阴极同步短程硝化反硝化工艺的性能,将双室曝气阴极MFC与A/O脱氮工艺结合处理人工模拟低碳氮比废水。通过静置运行15 d使得MFC阴极室亚硝态氮得以积累,氨氧化菌得以富集。随即改为连续运行后第21天成功启动同步短程硝化反硝化MFC;阴极出水氨氮浓度为0.3 mg/L,亚硝态氮浓度为15.9 mg/L,硝态氮浓度为0.6 mg/L,亚硝化率达到95%以上,阴极电极自养反硝化去除率达到50%以上,COD去除率达到85%以上。结果表明,将MFC与同步短程硝化反硝化工艺结合,通过阴极室中氧气得电子获得高pH,可以强化同步短程硝化反硝化工艺,完成生物脱氮的同时回收电能,并具有减少外加碱度的优势。     

以不同底物和苯胺为燃料的微生物燃料电池的产电特性

通过构建空气阴极型双室微生物燃料电池,研究了以500 mg/L苯胺作为唯一燃料以及苯胺和不同底物共基质时MFC对苯胺的降解特性及MFC的产电性能。结果表明,在外电阻1000Ω,以500 mg/L苯胺为唯一燃料以及500 mg/L苯胺分别和500 mg/L乙酸钠,葡萄糖和可溶性淀粉作为共同基时的MFC运行周期分别为3、3.4、4.6和5 d;最大输出电压分别为273、450、428和380 mV;输出功率分别为142、225、201和160 mW/m2。苯胺去除率分别为68%、85.8%、71%和65%。内阻分别为931、524、564和751Ω,COD去除率分别为68%、85%、72%和65%。库伦效率分别为1.8%、7.9%、6.6%和4.5%。MFC可以使用苯胺作为唯一燃料,且当添加的基质不同时,MFC产电性能以及苯胺降解状况有所不同。利用MFC可以使苯胺高效快速降解的同时实现稳定的电压输出。     

微生物燃料电池藻阴极性能比较及膜污染分析

为考察藻种类及阴极材料对藻阴极型微生物燃料电池性能的影响,以微藻及水绵为阴极生物,分别采用碳毡,碳纸,载铂碳纸为阴极材料,构建了微生物燃料电池。结果显示,以碳毡作为阴极材料时,2种藻阴极微生物燃料电池最大功率密度均高于以碳纸为阴极材料时相应的功率密度。采用载铂碳纸为阴极材料、天然湖水为阴极液,微生物燃料电池最大功率密度分别达到165.1 mW/m2(微藻阴极)和119.9 mW/m2(水绵阴极)。电化学测试表明,藻类生长形态影响了阴极的电化学特征,进而影响到了微生物燃料电池的性能。藻阴极MFC长期运行时,膜污染是藻阴极微生物燃料电池功率密度下降的关键因素之一。SEM-EDS分析显示,膜两侧污染主要原因分别是微生物生长和磷酸盐晶体沉积。     

高盐废水MFCs不同阴极电子受体产电及微生物群落分析

为探查不同电子受体产电性能及对阳极微生物群落的影响,研究了3种电子受体(铁氰化钾、曝气阴极、过硫酸钾),构建了双室榨菜废水微生物燃料电池系统(microbial fuel cells,MFCs),实现了污水处理和能量回收的双重目的,探讨了不同电子受体(铁氰化钾、曝气阴极、过硫酸钾)对榨菜废水MFCs产电性能及阳极微生物群落的影响。结果表明：在产电性能方面,当过硫酸钾作为阴极电子受体时,电池输出电压、库仑效率、功率密度均优于另外2种常用阴极电子受体(铁氰化钾和氧气);在500 Ω的外接电阻间歇运行的条件下,其输出电压、库仑效率、功率密度分别为802 mV、(33±1.6)%、697 mW·m⁻²。阳极生物16S rRNA基因测序分析表明,水解发酵菌为榨菜废水微生物燃料电池阳极核心菌群,铁氰化钾、氧气和过硫酸钾MFCs阳极微生物菌群相对丰度分别为64.3%、63.6%和75.51%,包括Lentimicrobium、Synergistaceae、Sphaerochaeta、Anaerolineaceae、Draconibacteriacea菌属。阴极电子受体不同的MFCs的阳极微生物群落核心菌群类似,但是丰度有所不同。势差较大的电子受体(过硫酸钾)微生物群落多样性和丰富度较高,产电和污染物去除效果较好。     

稳恒磁场作用下微生物燃料电池的产电特性和电化学阻抗谱分析

对混合菌接种的双室微生物燃料电池加载磁场强度为175 mT的稳恒磁场,利用电化学交流阻抗等电化学分析方法,考察了在磁场作用下微生物燃料电池（MFC）产电性能的变化,分析了磁场对MFC各部分内阻的影响。加载磁场使已启动完成的MFC的产电明显增强,开路电压提高了10%。加载磁场后最大功率密度为2.08 W/m2,大于加载前的1.58 W/m2,表观内阻由170Ω降至80Ω。电化学阻抗谱分析确定了阳极、阴极和全电池的等效电路模型,拟合结果发现阳极极化内阻约为5Ω。加载磁场使MFC的阴极极化内阻由74.98Ω降至56.73Ω。     

Microbial community composition and electricity generation in cattle manure slurry treatment using microbial fuel cells: effects of inoculum addition

Environmental Science and Pollution Research - Microbial fuel cell (MFC) is a sustainable technology to treat cattle manure slurry (CMS) for converting chemical energy to bioelectricity. In this...     

Enhanced nickel removal and synchronous bioelectricity generation based on substrate types in microbial fuel cell coupled with constructed wetland: performance and microbial response

Environmental Science and Pollution Research - In this study, an attempt was made to clarify the impact of substrates on the microbial fuel cell coupled with constructed wetland (CW-MFC) towards...     

电流强度对高盐废水混合生物阴极MFC脱氮及产电的影响

构建了双室混合生物阴极微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)处理高盐榨菜废水,探讨了不同电流强度对混合膜 MFC 脱氮的影响,并分析了产电特性及微生物群落特征。结果表明,高电流通量可缩短双室混合膜MFC的完全脱氮周期,且主要缩短的是稳定期周期。相对于其他3个实验组,电流强度最大的S3实验组硝酸盐平均去除速率((5.72±0.10) mg·(L·d)⁻¹)与硝酸盐最高去除速率((8.45±0.15) mg·(L·d)⁻¹)均最大,且实现总氮100%去除的时间最短(19 d),稳定期硝酸盐去除速率k (6.122 5 mg·(L·d)⁻¹)最大,这说明增大电流强度可促进混合膜MFC 电营养反硝化。电营养反硝化菌可直接利用电子进行反硝化反应,而较大的电子通量给阴极电活性自养脱氮微生物提供了丰富的生命燃料。在产电方面,曝气阶段开路电压(S1、S2、S3、S4分别为750、729、721、699 mV)随外加电阻的增大而增大,最大功率密度相差却并不显著(1.09、0.94、1.04、1.02 W·m⁻³);停止曝气阶段,阴极室电子受体的减少,导致MFC产电性能普遍下降,外电阻最大的S1实验组开路电压(746 mV)与最大功率密度(0.77 W·m⁻³)为最高。高通量测序结果表明,承担电营养反硝化功能的菌群可能为norank_f_Hydrogenophaga,Azoarcus。以上研究结果可为后续双室混合膜 MFC处理高盐废水提供技术参考。     

炼油废水微生物燃料电池启动及影响因素

以炼油废水为碳源,构建双室填料型微生物燃料电池,考察接种液、外接电阻等电池启动条件,以及电导率、pH值和缓冲溶液强度等溶液性质对电池产电性能的影响。利用微生物燃料处理炼油废水,COD去除率(52±4)%,含油量去除率(81.8±3)%;利用废水中存在的原生菌即可启动电池,但启动期长,外加接种液可快速启动电池;启动时外接电阻的大小对电池稳定运行后的输出功率有明显影响,对电池内阻影响相对较小,当启动外接电阻为2 000Ω,电池输出功率最大,为288 mW/m3;随阳极溶液电导率电池增大,电池内阻降低,输出功率升高;pH值变化对电池阳极电势影响较大,进而影响电池输出,当溶液pH为9时,电池输出电压最大(388 mV),pH过高或过低均不利于电池产电;随着缓冲强度的增大,电池输出电压增大,且PBS缓冲强度的增大可从电导率增大和改善质子传递条件两方面提高电池的输出功率。