微生物燃料电池及其在废水/废弃物处理中的应用

微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFC)作为一项解决环境污染同时开发可再生能源的新技术,近年来受到国内外研究者广泛关注。基于MFC工作原理,全面归纳了其典型的高效产电菌,并从阳极氧化、阴极还原两方面重点探讨了其在处理废水/废弃物的应用实例及发展潜力,最后从3个方面对MFC在环境领域的应用前景作了展望。     

反硝化脱硫微生物燃料电池的可行性研究

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)可在去除废水中污染物的同时回收电能.以S2-和NO-3-N分别作为阳极电子供体和阴极电子受体,研究了反硝化脱硫MFC的同步阳极除硫与阴极脱氮,分析了阳极进水S2-浓度对MFC产电性能及污染物去除情况的影响,探究了MFC阳极石墨纤维丝上的硫沉积情况及其对内阻的影响.结果表明,反硝化脱硫MFC在32 d内实现稳定的阳极除硫与阴极脱氮.外阻为100Ω时,电压稳定在(176.0±6.9)m V,相应的S2-和NO-3-N去除负荷分别为(0.94±0.04)kg·m-3NC·d-1和(11.1±0.6)g·m-3NC·d-1.MFC的产电能力随着阳极进水S2-浓度的增加逐渐增强,SO_2-4的生成率和NO-3-N去除负荷受S2-浓度影响较小.在试验S2-浓度下S2-的去除较彻底,SO_2-4的生成率均超过65%.NO-3-N去除负荷维持在12 g·m-3NC·d-1左右,出水NO-2-N浓度均低于0.01 mg·L-1.反硝化过程较完全.在运行过程中,MFC阳极的石墨纤维丝上会沉积颗粒硫,降低电极的有效面积,使MFC的内阻升高.     

利用双室微生物燃料电池处理模拟废水的产电特性研究

本实验通过研究电池的启动过程、阳极有机物降解率和阴极Cu2+的去除率,评价了微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)的产电和处理废水性能.以模拟糖蜜废水作为阳极基质,模拟电镀废水作阴极电子受体,建立简单的双室微生物燃料电池.结果表明在外电阻为800Ω的情况下,电池得到最大电压417.00 mV,从极化曲线上获得最大输出功率密度44.17mW.m-2,内阻为293Ω.电池在第五周期时,COD去除率也达到最高47.31%.在第四周期内,Cu2+最大的去除率为59.76%.综上所述,MFC在处理有机废水和电镀废水方面具有可行性.     

沉积型微生物燃料电池处理含铜废水及产电性能

实验构建沉积型微生物燃料电池(sediment microbial fuel cell,SMFC),以有机废水为阳极底物,以活性污泥中的混合菌为阳极接种微生物,以含铜废水为阴极液,探讨SMFC对产电性能及废水处理的影响规律。结果表明:当阴极液Cu SO4浓度为3 000 mg/L时,SMFC的产电性能最优,功率密度最大为81.7 m W/m2,电流密度最大为980.0 m A/m2,优于浓度为1 000 mg/L和5 000 mg/L时的SMFC的产电性能。SMFC能有效处理有机废水和含铜废水,SMFC对有机废水COD去除率最高可达74.3%;SMFC对Cu2+的去除率最高可达到96.6%。SMFC可回收铜,阴极板上的沉积物经XRD检测,为Cu2O和单质铜的混合物。利用扫描电镜观察其表面形貌主要为片状和树枝状,铜粉的平均粒径为2.1μm。     

连续流微生物燃料电池处理含重金属废水研究

该实验的研究对象为连续流双室微生物燃料电池,同时考察连续流微生物燃料电池的污水处理、发电和重金属离子(Cu~(2+)、Ni~(2+)、Cr~(6+)、Cd~(2+)电镀废水,500 mg/L)的处理回收效果并与传统单室微生物燃料电池进行对比。在厌氧环境下以微生物本身作为催化剂,利用人工配成的糖蜜废水作为阳极底物,不同有毒重金属离子溶液作为阴极底物。试验结果表明,在外电阻(1 000Ω)相同的情况下得到Crr~(6+)电镀废水作为阴极时的产电性能最佳,获得最大电压U=114.2 mV,功率密度P=35.648 8 mW/m~2,库伦效率CE=44.13%,同时得到最高金属离子去除率66%。相比之下Cu~(2+)阴极液组产电效果较差,电压稳定值不足0.01 V,功率密度P=6.059 m W/m~2与库伦效率CE=3.78%均为最低值。在阳极均实现了对模拟糖蜜废水的降解,处理效果最显著的是Cd~(~(2+))阴极液组,COD去除率达到78%。最后对MFC阴极还原产物进行了X射线衍射分析,得到Cu~(2+)还原产物包括Cu_2O与铜单质,Crr~(6+)主要被还原成Cr_2O_3,Cd~(2+)与Ni~(2+)主要生成单质状态。采用X射线衍射分析阴极电极还原物质,经计算机检索与国际标准PDF对照。得到4组不同阴极液中,Cu~(2+)被还原生成Cu_2O晶体与单质铜。Ni~(2+)被还原生成镍单质。而Cr~(6+)与Cd~(2+)阴极液组中分别出现Cr_2O_3与单质镉的晶体衍射峰。     

FeS2强化微生物燃料电池阳极反硝化脱氮与产电特性

针对不同碳氮比（C/N）的含氮废水,将FeS₂引入微生物燃料电池（MFC）阳极构建FeS₂强化的微生物燃料电池（Pyr-MFC）体系,以不加FeS₂的空白对照组（C-MFC）为对照,探究其对体系脱氮与产电的影响;采用高通量测序、X射线光电子能谱和扫描电子显微镜探究该体系中微生物丰度、硫和铁元素变化规律,解析FeS₂强化体系低C/N下的脱氮机理。结果表明：1）Pyr-MFC的反硝化脱氮效率和产电功率密度均高于C-MFC,硝态氮去除率提高近15.7%,最高电压提高量可达0.274 V。2）C/N分别为4、3、2和1时Pyr-MFC对NO₃-N的去除率为100%、97.8%、58.4%和49.7%,均高于C-MFC,表明FeS₂有效降低体系对碳源的依赖。3）微生物群落检测结果表明,FeS₂将产电微生物（Thauera、Thiobacillus和Geobacter）的物种丰度提高9.43%。4）物质转移分析结果表明,S⁻为反硝化过程提供电子,Fe²⁺作为电子穿梭体强化了电子传递,提高了体系的产电性能。

     

微生物燃料电池处理难降解有机废水研究现状

微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物将有机物直接转化为电能的技术。MFC用于处理难降解有机废水,既可提高废水处理效果,又能产生电能,该技术是近年来的研究热点。从MFC的反应器构型、产电性能和有机物去除效果几个方面讨论了MFC处理难降解有机废水的现状和发展趋势。     

微生物燃料电池降解苎麻生物脱胶废水

利用苎麻生物脱胶废水作为燃料和接种体,构建并即刻成功地启动了双室微生物燃料电池,利用该微生物燃料电池进行了苎麻生物脱胶废水处理试验。结果表明,在一个反应批次内,COD去除率为55.26%,总糖浓度降低了31.91%,可溶性蛋白质浓度降低了38.71%,p H由6.4上升到6.89,微生物数量降低了50%,FTIR光谱分析进一步证实燃料电池产电的主要来源于废水中的糖类和蛋白质等有机物的氧化降解。微生物燃料电池产生的最大电压为1 096.1 m V(外电阻为2 200Ω),最大功率密度达到36.55 m W/m2,稳定期间内阻约为470Ω。在一个反应批次内,随着废水有机物的逐渐减少,燃料电池的电压随之降低。     

微生物燃料电池的应用研究进展

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)可用的原料广泛,其广泛应用为可再生能源的开发和难降解废物的处理提供了一条新途径。介绍了MFC的原理,并结合其发展趋势阐述了MFC影响因素,具体包括电池构型、底物种类、电极材料和阳极微生物。此外,综述了近些年的MFC应用进展,具体涵盖污水处理、MFC与其他技术耦合以及MFC生物传感器等领域。最后展望了MFC发展的主要方向,包括对传统交换膜进行改造,或寻求膜替代材料;开发具有低电阻、抗腐蚀、高孔隙率以及高比表面积的新型阳极材料;加强MFC与其他技术耦合以及改善MFC传感器响应时间和灵敏度等措施。可为今后MFC技术的研究和应用提供参考。     

水生植物在微生物燃料电池中的应用研究进展

微生物燃料电池在降解污染物的同时能将污染物中的化学能转化为电能。研究微生物燃料电池是对污水处理过程中回收环境友好能源的多学科交叉探索,可以为我国有效解决能源与环境问题提供新的技术途径。水生植物在微生物燃料电池研究中已得到了应用,显示出了良好的污水净化效果和生物产电特性。目前利用水生植物构建的微生物燃料电池,一类是将高等植物根区作为电池的阳极系统,目的是利用根区分泌物解决MFC的燃料问题;另一类是直接将低等水生植物藻类构建生物阴极型微生物燃料电池,其实质是利用藻类光合作用产氧构建好氧型生物阴极微生物燃料电池而还原CO2。文章对水生植物在微生物燃料中的作用机制、调控措施、运行条件、工艺参数等方面的研究现状进行了综合分析,也提出了需要深入研究的方向。     

以苯酚为燃料的微生物燃料电池产电特性

选取城市污水处理厂的好氧和厌氧混合污泥作为接种液,构建了双极室微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC),对以葡萄糖、葡萄糖和苯酚、苯酚为不同燃料的MFC进行了有机物降解和产能效果的研究.试验结果表明,以葡萄糖为单一燃料时MFC的启动时间最短,以苯酚为单一燃料时MFC启动时间最长.MFC在不同燃料来源条件下对苯酚去除率均大于85%,COD去除率超过80%.MFC的连续运行试验结果表明,在1000Ω外电阻条件下,以葡萄糖为单一燃料的MFC运行周期最长,可达400h,最大输出电压为551mV,功率密度为 121 mW·m-2(阳极);以葡萄糖和苯酚为混合燃料的MFC运行周期约200h,最大输出电压为208mV,功率密度为 16mW·m-2(阳极);而以苯酚为单一燃料的MFC运行周期仅约为100h,最大输出电压为121mV,功率密度为 6 mW·m-2(阳极).试验结果最终表明,MFC能够利用苯酚作为燃料,在实现高效降解的同时可稳定地向外输出电能,这为酚类难降解有机物的高效低耗处理提供了新的研究思路.     

以吲哚为燃料的微生物燃料电池降解和产电特性

以铁氰化钾为电子受体,在两极阴阳室内使用碳毛刷纤维为电极材料构建了循环式微生物燃料电池(MFC),研究了以吲哚为单一燃料和吲哚+葡萄糖为混合燃料条件下MFC的产电特性以及对吲哚和COD的去除效果.结果表明,以1000mg/L葡萄糖+250mg/L吲哚为混合燃料时,MFC的最高电压和最大功率密度分别为660mV和51.2W/m3(阳极),MFC运行10h对吲哚和COD的去除率分别为100%和89.5%;分别以250,500mg/L吲哚为单一燃料时,MFC的平均最高电压分别为115,118mV,最大功率密度分别为2.1,2.3W/m3(阳极).在MFC中,250,500mg/L吲哚被完全降解的时间分别为6,30h.MFC能够利用吲哚为燃料,在实现高效降解吲哚的同时对外产生电能,可用于处理含有毒且难降解有机物的焦化工业废水.     

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.     

微生物燃料电池处理苯酚废水运行条件研究

以传统厌氧消化(conventional anaerobic digestion,CAD)作对照,研究不同温度、底物浓度、盐桥管径以及有无接种微生物对微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)处理苯酚废水性能的影响.实验结果表明,MFC技术可以在获得电能的同时,强化有机废水的生物处理过程,MFC能够在较低温度(15℃)下运行.当苯酚初始浓度为0.15g·L-1,随着温度(15℃、25℃、35℃)的增加,苯酚的降解效率和MFC的产电性能也随着提高;MFC具有耐有机负荷冲击能力,即使在高负荷苯酚初始浓度3.5g·L-1条件下,去除率达60%;盐桥孔径并不与苯酚去除效率、电压、功率密度成正比关系.MFC在适合的管径条件下可以高效去除苯酚的同时,能有较高的产电效率;MFC的阳极反应需要微生物的催化.     

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.     

生物阴极型微生物燃料电池同步降解偶氮染料与产电性能研究

构建了生物阴极型微生物燃料电池(BCMFC),研究了以葡萄糖-偶氮染料(活性艳红X-3B)为共基质条件下,BCMFC产电性能及偶氮染料的降解特性.结果表明,电能的产生源于BCMFC对葡萄糖的降解,共代谢下活性艳红X-3B的(ABRX3B)的生物降解是主要的脱色机理.当葡萄糖初始浓度为500mg·L-1(以COD计),ABRX3B浓度低于300 mg·L-1时,功率密度维持50.7 mW·m-2,最终脱色率在94.4%以上,而ABRX3B浓度的进一步提高对BCMFC产电会产生抑制作用.阳极液的COD去除率和UV-Vis光谱表明,ABRX3B的降解过程中,有中间产物的积累.共基质条件下,BCMFC可成功实现同步电能输出和高效脱色.     

混菌接种条件下微生物燃料电池芯片的产电特性研究

微生物燃料电池(MFC)芯片因具有体积小、运行条件温和、产电稳定等优点而有可能成为一种新型的野外水环境监测系统中传感器供能方式.但目前采用纯菌种及贵重金属阳极构建的MFC芯片,不仅成本较高且纯菌种在复杂环境条件下不易存活和保持稳定.因此,本文通过采用混合菌群接种,以活性炭为阳极,构建了阳极体积为50μL的MFC芯片,发现其稳定运行最大输出电流为3.5μA,平均运行周期为8.0 h,最大输出功率约为160 nW,最大功率密度为10.2 mW·m-2.EIS分析结果表明,MFC芯片的总内阻约为35.6 kΩ,其中,阴阳极内阻占主要部分.本研究制备的MFC芯片产电性能达到了同类采用纯菌株及Au作阳极的MFC芯片的性能,表明采用低成本材料为阳极,接种混合菌液的MFC芯片是完全可行的.     

以苯胺和葡萄糖为燃料的微生物燃料电池的产电特性研究

通过构建空气阴极型双室微生物燃料电池(Microbial FueI Cell,MFC),并以苯胺和葡萄糖为燃料,研究了MFC对苯胺的降解特性及MFC 的产电性能.结果表明,在1000Ω电阻下,500mg·L-1葡萄糖为单一燃料时,MFC的最大输出电压为440mV,最大输出功率密度为215mw·m-2.当苯胺的初始浓度为...