基于底物类型的沉积型微生物燃料电池产电特性研究

摘要

近年来,由于在实现废弃物或废水无害化的同时可产生宝贵电能,微生物燃料电池(Microbial Fud Cell,MFC)技术受到各界广泛关注。其中,沉积型MFC(Sediment MFC,SMFC)因其不需投加电子受体或供氧剂、成本低、无二次污染、可用于水体原位修复等特点,引起越来越多研究者的兴趣。本研究分别以葡萄糖、乙酸钠、蓝藻酸化液和蓝藻为产电底物,从电池性能、产电特性、阳极生物膜特性等方面综合考察了底物类型对SMFC运行特性的影响,并结合循环伏安法对其电子传递特征进行了深入分析,不仅可丰富和充实SMFC的理论内涵,也是对现有蓝藻资源化技术的很好补充,具有重要的学术价值和应用前景。主要研究内容和结果如下:
　　 (1)不同底物条件下SMFC启动和电池性能研究表明,电池功率密度与底物去除之间呈明显的正相关关系。以蓝藻酸化液为底物的SMFC体系,不仅最大功率密度最高,为63.24 mW/m2,COD去除率及底物降解速率也最大,分别为72.6％和0.607 kgCOD/(m33·d)。其次为乙酸钠和葡萄糖体系,最大功率密度和COD去除率分别为50.92mW/m2、42.14 mW/m2和72.0％、53.6％。蓝藻酸化液可作为SMFC的产电底物。
　　 (2)底物类型对SMFC体系产电特性的影响研究表明,底物类型通过影响微生物的代谢活性和阳极生物膜生长情况改变体系的活化阻力、传质阻力及阴阳极电势,最终影响体系的功率密度输出。蓝藻酸化液体系的阳极电势最低,为-427 mV,阴极电势最高,为164 mV,电池电势最大,为591 mV,表观内阻最小,为461Ω,故其输出功率密度也最大,达71.77 mW/m2。
　　 (3)底物类型对SMFC体系阳极生物膜特性的影响研究表明,葡萄糖为底物的SMFC体系胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)总量最高,为19.28mg/gVS。由于细胞内源代谢,空白体系EPS总量次之,为17.44 mg/gVS。蓝藻酸化液为底物造成的传质阻力较小,EPS总量为16.99 mg/gVS,其阳极碳毡上生物量最大,生物膜中P含量为7.46μgP/g碳毡。蓝藻酸化液为底物时阳极生物膜的电化学活性最高,0V时为77 mA,微生物以杆菌为主。
　　 (4)基于底物类型的SMFC体系电子传递特征分析表明,以厌氧消化污泥为接种物的SMFC体系中,电子传递特征以生物膜机制为主。提高体系的电流密度输出可通过优化阳极生物膜的成膜能力实现。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1 研究背景

1.1.1 能源短缺问题

1.1.2 微生物燃料电池技术研究现状

1.1.3 蓝藻资源化技术研究现状

1.2 底物类型对MFC运行特性影响的研究进展

1.2.1 简单底物

1.2.2 复杂底物及各类废水

1.3 本课题研究目的与意义

1.4 研究内容

第二章 底物类型对SMFC电池性能的影响

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验装置

2.2.3 实验方法

2.2.4 测定指标及方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 不同底物条件下SMFC的启动

2.3.2 底物类型对启动期SMFC功率密度的影响

2.3.3 底物类型对SMFC底物去除的影响

2.4 小结

第三章 底物类型对SMFC产电特性的影响

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 实验材料

3.2.2 测定项目及方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 底物类型对SMFC极化特性的影响

3.3.2 底物类型对SMFC电池电势的影响

3.3.3 SMFC的可持续功率密度

3.4 小结

第四章 底物类型对SMFC阳极生物膜特性的影响

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 实验材料

4.2.2 测定项目及方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 底物类型对阳极生物膜EPS含量的影响

4.3.2 底物类型对阳极生物膜微生物量的影响

4.3.3 底物类型对阳极电化学活性的影响

4.3.4 SMFC阳极微生物形态

4.4 小结

第五章 基于底物类型的SMFC电子传递特征分析

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 实验材料与实验方法

5.2.2 测定项目及方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 SMFC体系的原位及混合液CV扫描

5.3.2 阳极包裹对SMFC体系CV扫描曲线的影响

5.3.3 SMFC体系电子传递特征分析

5.4 小结

第六章 结论

致谢

参考文献

附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文