微生物燃料電池系統(tǒng)構(gòu)建及相關(guān)微生物學(xué)研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，MFC)是一種新型的污水處理及電能回收裝置，利用微生物將有機(jī)污染物中儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。MFC作為一種新興的污水處理技術(shù)，符合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求，也為污水處理提供了新的思路和方法。本文首先構(gòu)建出陽(yáng)極室和陰極室總?cè)莘e分別為3L和2.8L的微生物燃料電池裝置，利用不同來源污泥樣品構(gòu)建2個(gè)微生物燃料電池系統(tǒng)，考察MFC的啟動(dòng)和運(yùn)行情況。且在系統(tǒng)穩(wěn)定后，分析兩份污泥樣品中微生物群落

2、結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì);考察不同環(huán)境因素對(duì)于MFC運(yùn)行的影響，并優(yōu)化環(huán)境因素，使得MFC系統(tǒng)運(yùn)行效果最佳;構(gòu)建生物陰極型MFC系統(tǒng)，通過控制陰極溶氧，研究系統(tǒng)同時(shí)脫氮去碳以及產(chǎn)電能力。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:
　　1、構(gòu)建出2個(gè)陽(yáng)極室容積3L陰極室容積為2.8L的兩室型MFC裝置，以湯汪污水廠濃縮池污泥及半塘河道底泥作為菌源，以模擬污水為基質(zhì)啟動(dòng)MFC系統(tǒng)，富集產(chǎn)電。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩組污泥接種的MFC系統(tǒng)均能啟動(dòng)產(chǎn)電，在系統(tǒng)輸出電壓值下降時(shí)更換陽(yáng)極

3、室和陰極室溶液又即刻恢復(fù)高產(chǎn)電狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的產(chǎn)電能力和穩(wěn)定性。說明自然界存在著很多能夠產(chǎn)電的微生物，已經(jīng)成功馴化出具有產(chǎn)電能力的MFC系統(tǒng)。采用PCR-DGGE技術(shù)分析微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，不同來源的菌群微生物群落結(jié)構(gòu)不同，同一種污泥在馴化前后微生物群落結(jié)構(gòu)也有很大差別。
　　2、不同的環(huán)境因素對(duì)于MFC系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行有一定的影響。研究發(fā)現(xiàn)，MFC系統(tǒng)在一定的溫度范圍內(nèi)(15℃～30℃)均能成功啟動(dòng)，但是低溫條件時(shí)，系統(tǒng)

4、成功啟動(dòng)的時(shí)間較長(zhǎng)且輸出電壓值低，在溫度為30℃時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的產(chǎn)電性能，啟動(dòng)周期縮短，且產(chǎn)電量明顯增加，在檢測(cè)陽(yáng)極室內(nèi)有機(jī)物濃度變化時(shí)也發(fā)現(xiàn)，溫度的升高促進(jìn)微生物代謝能力的增加，從而加快有機(jī)物的降解;陰極室是接受電子的場(chǎng)所，電子受體的總量和濃度對(duì)于系統(tǒng)產(chǎn)電量的影響顯著，在系統(tǒng)電壓值下降至一定程度時(shí)更換陰極溶液，電壓值立即上升至最大值;陽(yáng)極室內(nèi)環(huán)境pH值對(duì)于MFC系統(tǒng)電壓值輸出也有很大影響，在一個(gè)產(chǎn)電周期內(nèi)，陽(yáng)極室的pH值不斷降低，

5、輸出電壓也隨著降低，通過調(diào)節(jié)陽(yáng)極室酸堿平衡后，輸出電壓也隨之升高，說明陽(yáng)極室的過度酸化會(huì)影響細(xì)菌正常的代謝活動(dòng)，因此釋放的電子少，從而影響產(chǎn)電，通過在陽(yáng)極加入少量碳酸鈣粉末調(diào)節(jié)陽(yáng)極室的酸度，保證陽(yáng)極電勢(shì)穩(wěn)定，有利于系統(tǒng)平穩(wěn)低對(duì)外輸出電壓;外阻的不同對(duì)MFC系統(tǒng)輸出電壓及功率密度的影響不同，隨著外接電阻值的降低(300Ω、100Ω、50Ω、10Ω)，系統(tǒng)的輸出電壓值隨之下降，但是單位體積功率密度值增加。外阻為10Ω，系統(tǒng)最高輸出單位體積功

6、率密度值達(dá)5.0 W/m3。
　　3、在以乙酸鈉為碳源并且運(yùn)行穩(wěn)定的MFC系統(tǒng)加入一定量的苯酚，MFC系統(tǒng)的輸出電壓即刻下降，但是隨著馴化的進(jìn)行，MFC系統(tǒng)最終可以利用苯酚作為碳源，并釋放出電子產(chǎn)電，輸出電壓最大值為0.18V，總COD和苯酚的去除率最高達(dá)到86％和80％。進(jìn)一步分析系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)MFC系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)有很大的相似性，通過對(duì)優(yōu)勢(shì)條帶的割膠測(cè)序顯示，A系統(tǒng)的4個(gè)條帶對(duì)應(yīng)得比對(duì)相似性最高的菌株分別

7、為Acinetobacter、Krokinobacter、Parabacteroides、Ignavibacterium、Riemerella anatipestifer、Acinetobacter;B系統(tǒng)3個(gè)條帶測(cè)序所得相似性最高的菌株分別為Paludibacter、Pseudomonas、Xanthomonas和Azospirillum lipoferum。
　　4、構(gòu)建出生物陰極型MFC系統(tǒng)，以乙酸鈉為唯一碳源，兩室均接種采