低温对MFC产电性能及阳极生物膜群落结构影响的研究

摘要

目前环境污染问题影响着人们赖以生存的地球，而其中的废水处理更是与人们的生活息息相关。所以一种既能处理废水更能利用废水中的营养物质产生电能的微生物燃料电池（MFC）成为了研究热点。然而MFC面临的一个重大问题就是在低温条件下难以启动，并且产电量较低。这一瓶颈决定着MFC能否在今后发展的道路实现工业化。
　　针对这个问题，本研究采用单室立方体MFC，以阴极碳布和阳极碳刷为材料，在不同温度（4℃、10℃、25℃）下连续接种MFC反应器，从产电性能、有机污染物处理效果和阳极生物膜微生物群落结构等方面考察温度，尤其是低温（4℃）对MFC运行的影响。基于以上实验，本研究还利用以不锈钢网为阴极材料的单室立方体 MFC，考察在不同温度（-20℃、4℃、10℃、25℃）、不同驯化时间（7天、14天）下的接种物，开发低温（4℃）快速启动MFC的方法，并提高低温条件下MFC的产电性能。本研究所得的实验结果如下：
　　4℃、10℃、25℃三个温度条件下连续接种 MFC反应器分别得到的最大输出电压分别为481mV、482mV、501mV；启动成功达到最大输出电压的时间分别为349h、377h、238.5h；最大输出功率分别为550mW/m2、669.3 mW/m2、808.5mW/m2；COD去除率差异不显著，而在库伦效率方面差异比较明显，分别为37.5％、28.2%、43.3%。根据454焦磷酸测序结果可知，在门和纲的分类水平下，4℃、10℃、25℃连续接种启动 MFC的阳极生物膜群落结构较为相似，都包括 Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes、Spirochaetae，但其丰度不同。属水平下4℃、10℃、25℃连续接种启动 MFC的阳极生物膜群落结构差异显著，其中 Aeromonas、Acholeliasma、Alkaliflexus、Acinetobacter为三个样品（S4、S10、S25）中的优势菌。其中Aeromonas的丰度分别为4.4%、1.3%、2.7%；Acholeliasma为10.8%、1.2%、9.7%；Acinetobacter为3.16%、2.68%、4.71%；Alkaliflexus为3.6%、2.2%、2.48%，它属于拟杆菌纲理研菌科。Desulfuromonas存在于S4中，其在S10、S25未被检出。S4样品内Anaerovorax（6%）的丰度高于S10（3.5%）和S25（1.4%），它属于厚壁菌门-梭菌纲-优杆菌科。S4样品还包含Armatimonadetes，丰度为7.3%，明显高于S10、S25。在低温（4℃）连续接种启动MFC的阳极生物膜上存在一些耐受低温的产电菌，这些菌属拥有异于适温菌属的产电机制，是MFC能够在低温条件下正常运行的原因。
　　从-20℃、4℃、10℃、25℃四个温度条件下驯化不同时间（7天、14天）的接种物于4℃启动的MFC中可以发现：驯化7天的接种物于4℃启动时，4℃驯化组的MFC在运行728h时达到最大输出电压461mV；未驯化的对照组在281.5h时到达最大输出电压420mV，但其在下一个周期出现输出电压下降现象，说明驯化组相较于未驯化组的输出电压更为稳定。驯化接种物14天时，4℃驯化组在MFC运行到1170h时，达到最大输出电压474mV。4℃驯化7天和14天的最大功率密度分别为526mW/m2、650 mW/m2；开路电压分别为564mV和588mV。不同温度驯化接种物对 COD去除率影响不大，但在库伦效率方面，驯化接种物有优势，4℃驯化7天接种于4℃MFC的库伦效率为68.2%，比对照组高29.4%。而-20℃驯化活性污泥组因为温度过低，其反应器启动时间、输出电压、功率密度等方面的产电性能较差，不适宜作为驯化接种物的温度选择。
　　本实验实现了低温（4℃）成功启动MFC，其产电性能较为理想，并且通过驯化接种物开发了低温（4℃）快速启动 MFC的方法，在低温条件下实现了具有广泛应用价值的废水处理技术。

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第1章 绪 论

1.1能源问题与废水资源化

1.2微生物燃料电池（MFC）

1.3课题来源、目的与意义

1.4本研究内容

第2章 材料与方法

2.1引言

2.2研究方案

2.3 MFC反应器的组建

2.4 MFC培养基的配置

2.5接种并启动MFC反应器

2.6实验方法

2.7 454焦磷酸测序分析方法

第3章 低温对MFC产电性能及阳极微生物群落影响

3.1引言

3.2不同温度（4℃、10℃、25℃）连续接种MFC的运行效果分析

3.3不同温度连续接种MFC阳极生物膜群落结构分析

3.4本章小结

第4章 低温快速启动MFC及其产电性能研究

4.1引言

4.2不同温度驯化接种物接种于4℃运行MFC的电压历史曲线

4.3不同温度驯化接种接种于4℃运行MFC的功率密度曲线

4.4不同温度驯化接种物接种于4℃运行MFC的极化曲线

4.5不同温度驯化接种物（4℃运行）的COD去除率与库伦效率

4.6不同温度驯化接种物接种于4℃运行MFC的CV曲线

4.7不同温度驯化接种物于4℃运行MFC的内阻分析

4.8本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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