微生物燃料电池耦合连续搅拌反应系统(CSTR)低温下处理“糖蜜-电镀”废水

为提高传统微生物燃料电池(MFC)在低温条件下的效率,实现实验装置放大化.本实验将连续搅拌反应系统(CSTR)与双极室微生物燃料电池系统相结合,连续流处理糖蜜废水,并间接回收金属单质,处理模拟电镀废水,考察系统的产电性能和废水处理效果.结果表明,当系统稳定运行后,最高电压及功率密度分别可达到340 m V和58.65 m W·m-2.20 d后,系统COD去除率明显增加,最高COD去除率可达到81%.实验运行10 d后,银离子开始析出,最高去除率可达到90%左右.     

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     

混合菌群生物燃料电池的产电机理与特性

利用厌氧污泥为接种源构建双室微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC),研究其电子传递机制,并考察其底物利用谱及阴极电子受体对产电性能的影响.结果表明:该MFC主要通过生物膜机制实现电子从有机物到固体电极的传递过程.该混合菌MFC的底物利用谱范围广泛,单糖、二糖、小分子有机酸等有机物均可作为电子供体产电,其中以蔗糖和乳糖为底物产电效果较好,最大功率密度分别为69.69 mW/m2和60.75 mW/m2;而以乙醇为底物时,COD负荷最高,达123.55 mg L-1d-1.阴极不同电子受体对混合菌群MFC的产电性能也有显著影响,其中以KMnO4为电子受体电池性能最好,最大功率密度达1 396.74 mW/m2.     

MnO2-r-GO修饰阴极对沉积型微生物燃料电池（MFC）产电性能的影响

考察了MnO2-石墨烯(r-GO)修饰阴极对沉积型微生物燃料电池(SMFC)的产电性能和体系有机质去除率的影响.实验结果表明,采用MnO2和r-GO对SMFC阴极进行复合修饰,运行稳定后,MnO2-r-GO修饰阴极体系与空白阴极体系相比,最高产电电压从65.2 mV增大到325.7 mV;最大功率密度由0.28 mW.m-2增大到17.4 mW.m-2,并且体系的内阻由1157Ω显著降低到159Ω;空白阴极体系和MnO2-r-GO修饰阴极体系的COD去除率和氨氮(NH4+-N)去除率分别由25.8%和27.3%增大到37.0%和32.7%.     

厌氧流化床单室无膜微生物燃料电池性能研究

在内径40 mm、高600 mm的液固厌氧流化床空气阴极单室无膜微生物燃料电池(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和流化床反应器阴极位置对电池产电性能的影响.实验结果表明,活性炭床层处于流化状态下,电池最大输出功率随污水流速增加逐渐增加至450 mW·m-2,但流速进一步增加则最大输出电功率则逐步减小;而电池欧姆内阻随污水流速增加先减小后增加.另外,实验考察了阴极位置对电池产电性能的影响.结果表明,高于分布板300 mm处的阴极有较好的产电性能.     

城市黑臭河涌底泥-微生物燃料电池产电性能及对底泥的修复

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是一种将化学能转化为电能的技术。它可以利用包括河涌与海底的沉积物在内的众多基质来产生电能。在利用微生物燃料电池对沉积物进行修复时,通常采用将阳极埋在水底沉积物中,阴极悬于上覆水中的方式来构建电池。由于上覆水的存在,底泥中的污染物质不仅会被电池修复,也会向上覆水释放,影响底泥和上覆水的整体修复情况。以广州某黑臭河涌底泥为阳极微生物接种源及阳极基质,50 m M·L-1铁氰化钾缓冲溶液为阴极室溶液构建了双室有膜型微生物燃料电池,排除上覆水对微生物燃料电池修复底泥的影响,研究在不同的外接电阻下,MFC的产电性能以及MFC对底泥的修复效果。结果表明:以黑臭河涌底泥为阳极底物能够保持MFC较长时间产电运行(650 h)。构建的电池内阻分别为:1 341.6、1 339.2、1 330.2、1 386.7和1 311.7Ω。外阻能够对MFC的产电和功率密度输出产生影响:在外接电阻为1 500Ω时,MFC获得的稳定输出电压最高为0.753 V,最大输出功率为4.94 m W·m-2。在运行中,微生物燃料电池对底泥进行了修复:在外接电阻为1 500Ω时,有机质去除效果最佳,去除率为7.834%;全磷在外阻100Ω达到29.98%的最高去除率;铵态氮在外阻100Ω处达到41.64%的最高去除率;在硝态氮最高去除率则在外接1000Ω时,为71.52%。这说明了外阻能够影响电池对底泥的修复效果。     

低温热氧化法强化剩余污泥微生物燃料电池的产电特性

城市污水处理厂污泥因有机物含量高而成为微生物燃料电池(MFC)应用研究的主要方向之一,而污泥中有机质的释放成为限制其发展的主要因素.本实验利用低温热解和过氧化氢氧化处理的耦合方法预处理城市污水处理厂污泥,分析了其作为燃料对MFC产电性能的影响.研究表明,利用预处理后的污泥上清液作为燃料,预处理温度、时间、pH值和过氧化氢投加量对MFC的产电性能影响大.当温度、时间、pH值和过氧化氢分别为100℃、90 min、11和500 g·kg TSS~(-1)的预处理条件下,MFC功率密度最大,分别为235、287、233.2、280 mW·m~(-3).采用热氧化法预处理污泥,可有利于污泥的破解,使能被产电菌利用的营养物质增多,提高了MFC产电特性,可为污泥资源化利用提供有益的参考.     

微生物产电呼吸最新研究进展

产电呼吸是一种新型的微生物能量代谢方式,基于产电呼吸的微生物燃料电池(MFC)具有直接产电、能量转换率较高、无需外源介体、自我维持运行等优点.介绍了产电呼吸的MFC工作原理、产电微生物的种类、产电呼吸的特点、影响产电呼吸的因素、产电呼吸与铁呼吸的异同,重点从电子由胞内传递至胞外及胞外转移至电极两个环节阐述了产电呼吸机制.最后展望了基于产电呼吸的微生物燃料电池的广阔应用前景.     

Microbial fuel cell with three-dimensional electrodes for domestic wastewater treatment and electricity generation北大核心CSCD

A single chamber microbial fuel cell (MFC) with three-dimensional electrodes packed bed carbon felts was developed to treat domestic wastewater while simultaneously generating electricity. The influence of batch and continuous operation mode on treatment effectiveness and electricity production of the MFC was investigated to provide a reference for the application of the MFC. The MFC with a total working volume of 1 440 mL was operated in the fed-batch mode for 5 d repeatedly three times, and then shifted to the continuous mode. During the testing of the continuous mode, wastewater was continuously pumped into the anode compartment at a flow rate of approximately 0.2 mL/min, resulting in a hydraulic retention time of 5 d. During the batch test, the MFC obtained 91.1% chemical oxygen demand (COD) and 98.2% NH4 +-N removal, which accorded with the first criteria specified in the discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plants in China (GB18918-2002). A maximum power density of 27.88 mW/m3 was achieved at a 51 Ω external resistor. During the continuous test, the COD removal efficiencies ranged from 83.2% to 97.4%. The concentration of NH4 +-N gradually decreased within 5 d and was then maintained below 9.45 mg/L, thus an enhanced removal performance of NH4 +-N was acquired. However, a low removal efficiency of total nitrogen was observed owing to the accumulation of NO3 --N in the effluent since day 11. Additionally, the MFC continually generated electricity with a maximum power density of 582.5 mW/m3 and average output voltage of 0.087 7 V during the stable period in the continuous operation mode. Moreover, 16S rRNA gene high-throughput sequencing showed that Thauera sp., Saprospiraceae-UN sp., and OPB56-UN sp. were identified as dominant populations. The results suggested that the organic matter associated with power generation was constantly utilized by the microorganisms in the reactor, which caused an excellent electricity generation performance during the continuous test. Therefore, the continuous operation mode could improve the low output voltage phenomenon in the MFC. Thauera sp., as a type of nitrate-reducing bacteria, was enriched in the autotrophic denitrifying microbial communities; therefore, bio-enrichment with denitrifying bacteria such as Thauera sp. could decrease the concentration of NO3 --N in the effluent during the continuous operation mode, which is expected to be an innovation for improvement of wastewater treatment. © 2018 Science Press. All rights reserved.     

猪皮制革废水生物处理工艺试验研究

以猪皮制革废水为研究对象,在比选研究序批式生物膜(SBBR)和序批式活性污泥法(SBR)工艺处理制革废水的基础上,根据异养菌和硝化菌的微生物特性,研发形成以匀质调节—序批式生物膜(SBBR)—曝气生物滤池(BAF)为主的污水生物处理工艺.长期运行研究表明,该工艺处理效果稳定,出水水质COD≤80mgL-1,NH4+-N≤10mgL-1,SS≤30mgL-1,达到《污水综合排放标准》(GB8976-1996)一级排放标准.处理水可用于制革生产各工段冲洗水.该生物处理工艺操作方便,产泥少,无污泥回流系统,耐冲击负荷能力强,长期运行水质稳定.图9表3参15     

群体感应信号分子对Pseudomonas aeruginosa PAO1生物膜结构及产电性能的影响

电活性生物膜(EAB)是微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)的重要组成部分.为揭示群体感应(quorum sensing,QS)信号分子在MFC中对EAB的响应机制,在MFC阳极室接种铜绿假单胞菌,添加两种QS信号分子(N-丁酰基高丝氨酸内酯C4-HSL和喹诺酮PQS),观察其对阳极生物膜形态、结构及MFC产电性能的影响.结果显示:添加终浓度为10μmol/L N-丁酰基高丝氨酸内酯、喹诺酮的MFC的驯化启动期分别比对照组缩短了290.33 h、169.9h,最高输出电压分别提高了18.18%、22.73%,MFC运行后期传质电阻分别减小了9.77Ω、15.15Ω,绿脓素含量分别提高了20.27%、24.32%;扫描电子显微镜(SEM)照片显示添加两种信号分子生物膜的生物量均多于对照组;激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)照片显示添加QS信号分子可以明显增大阳极生物膜的厚度并改善活死细胞比例.本研究表明添加QS信号分子显著促进了产电菌Pseudomonas aeruginosa PAO1在MFC阳极表面的成膜速率,强化了其生物活性,提高了EAB与电极间的电子传递效率及MFC的产电性能.(图9参21)     

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.     

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.     

曝气量对微生物燃料电池脱氮的影响

实验构建生物阴极双室微生物燃料电池,探究在微氧条件下曝气量对其产电性能和阴极脱氮的影响.以乙酸钠为碳源,氯化铵为氮源.实验在25℃温度下,阴极持续曝气,并控制反应器内为微氧状态,富集培养短程硝化反硝化菌群.实现了在特定曝气量条件下生物阴极短程硝化反硝化脱氮.实验结果表明,在曝气量为1.64 mL·min-1的条件下,短程硝化反硝化脱氮效果最好.亚硝态氮积累率为81.70%,总氮去除率达到69.66%,最大稳定电压达0.47 V左右,库伦效率为43.8%,产电效能较好.针对实际污水处理开展相关实验,MFC阴极短程硝化反硝化总氮去除率可达到81.93%,优于全程硝化反硝化.在短程硝化反硝化的微生物群落中,Betaproteobacteria纲和Thauera菌属在短程硝化反硝化中得到了有效的富集,有利于生物脱氮,并且Nitrosomonas菌是主要的氨氧化菌属.     

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.     

黑麦草在模拟人工湿地中对奶牛场污水高浓度氮的吸收转化

以土壤为基质,黑麦草(Lolium multiflorm)为植被,通过模拟间歇性人工湿地净化系统处理不同质量浓度的奶牛场污水试验,研究黑麦草对高质量浓度畜牧场污水中氮的吸收转化效果.结果表明,黑麦草在间歇性进水的污水质量浓度高达TN(816.8±125.1) mg·L~(-1),NH_4~+-N(443.6±97.9) mg·L~(-1),NO_3~--N(141.5±51.7) mg·L~(-1)都能较好的适应,生长良好.在不同浓度处理的净化系统中,水力停留时间为8d的条件下,NH_4~+-N的去除率为75.9%～88.3%;NO_3~--N的去除率平均为69.3%;TN的去除率74.5%～83.1%.该试验黑麦草对污水中氮的吸收转化在系统对氮净化中的贡献率平均为20.03%.     

矿化垃圾湿地处理畜禽养殖废水的研究

采用序批式进水方式,在m(固)∶V(液)=1∶20及水力负荷1.25 m3.m-2.d-1条件下,研究种植旱伞草(Cyperus alternifolius)、芦苇(Phragmites australis)、美人蕉(Canna indica)和菖蒲(Acorus calamus)4种植物的矿化垃圾填料湿地对畜禽养殖废水的处理效果。持续运行90 d的结果表明,矿化垃圾填料湿地床对CODCr、SS、NH4+-N和TP的平均去除率分别为41.3%～52.5%、55.2%～72.1%4、4.2%～76.7%和40.1%～68.0%。不同植物种类对去除率的影响小,与无植物空白相比约有10百分点的变化,主要被矿化垃圾填料自身特性所掩盖。矿化垃圾填料硝化能力强,导致硝酸盐氮(NO3--N)的累积高达数十mg.L-1,并导致TN去除率偏低,仅为41.6%～45.9%。构建了150 cm高的矿化垃圾填料柱进行反硝化脱氮,在水力负荷0.30 m3.m-2.d-1条件下运行90 d期间内,距柱面120 cm处NO3--N去除率在ρ(NO3--N)约为20和40 mg.L-1的水质条件下均可达97%以上。     

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.     

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).     

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.