生物陰極雙室微生物燃料電池同步除碳脫氮與產(chǎn)電特性研究.pdf

1、微生物燃料電池(MFC)以電極表面的功能微生物為催化劑，使陽極在低電勢下氧化有機物，陰極在高電勢還原電子受體，通過電子和質(zhì)子的定向遷移在回路中形成電流。為了克服傳統(tǒng)化學陰極MFC需要利用貴金屬等催化劑在陰極進行氧氣還原以及由于陽離子交換膜(CEM)選擇透過性缺陷造成的陰極pH升高，本研究將硝化引入MFC陰極室，構建生物陰極雙室微生物燃料電池。通過陰極室的篩選培養(yǎng)，實現(xiàn)用功能微生物替代傳統(tǒng)重金屬等作催化劑，利用硝化需好氧環(huán)境以及產(chǎn)生質(zhì)子的

2、特點，在陰極實現(xiàn)還原氧氣產(chǎn)電和NH4+-N到NO3--N的轉(zhuǎn)化，避免陰極室pH升高對陰極微生物的代謝產(chǎn)生影響。
　　首先，為了考察有機碳源對MFC陰極室微生物的影響，在完全自養(yǎng)（不投加有機碳源）和COD∶N=1.7∶1條件下，研究了硝化細菌的生長規(guī)律。結果表明，馴化后兩種運行方式的硝化率均能達到99％以上，但在不同時期趨勢卻有所不同。兩個反應器中亞硝酸細菌和硝酸細菌個數(shù)分別達到了2.5×106、4.5×104和2×106、7.5×

3、104cfu/mL，處于同一數(shù)量級上。然而由于1號反應器碳源的單一性，使其污泥濃度逐漸減小，而2號反應器相應值則逐漸增加。SEM表明兩池在培養(yǎng)末期均有桿菌、球菌等的出現(xiàn)。在COD∶N=1.7∶1下，系統(tǒng)更易保持穩(wěn)定性。同時，為了降低構建MFC的成本，比較了以碳氈和碳布作為陰極材料，在陰極利用功能微生物作為催化劑時電池的產(chǎn)電性能。結果表明，兩電池啟動時間基本相同，20d左右達到穩(wěn)定，但穩(wěn)定期碳布作陰極的電池電壓比碳氈作陰極的電池電壓高出了

4、60mV左右。碳氈和碳布作陰極時，電池在10d和20d的最大功率密度分別由10.24、11.14mW/m2提升到了18.18、30.15mW/m2，相應內(nèi)阻則分別由1000、600Ω降到了250、200Ω。掃描電鏡(SEM)觀察到兩者不同表面特性導致碳氈對污泥附著強于碳布，進而使氧氣傳遞受到限制，產(chǎn)電降低。
　　接著，基于啟動階段的結果，選擇碳布作為陰極材料，進行了MFC同步除碳、脫氮及產(chǎn)電的研究。分別研究了不同陽極進水COD、不

5、同陰極進水氨氮、不同陰極室溶解氧(DO)對MFC產(chǎn)電及污染物去除的影響以及硝化在陰極室的作用。研究表明，在陽極進水COD為100、400、700、1000mg/L時，電池穩(wěn)定期持續(xù)時間和電壓逐漸升高，分別為10、50、60、90h以及136.4、145.7、164.9、190.1mV，COD去除率從74.85％上升到了89.89％，但庫倫效率從7.15％下降到了5.66％。在陽極進水COD=700mg/L，陰極室DO=4mg/L時，隨著

6、陰極進水氨氮濃度的增加(40、80、120mg/L)，氨氮去除速率有較大差別，在前24h分別為27、36.2、51.1mg/(L·d)，但對電池產(chǎn)電無較大影響，穩(wěn)定期電壓相差不大，分別為165、177、194mV，表現(xiàn)出了一定適應性。在陽極進水COD=700mg/L，陰極進水氨氮濃度為80mg/L時，隨著DO從2mg/L增加到4mg/L，72h氨氮降解速率基本相同，但電池產(chǎn)電性能逐漸提高，12h開路電壓分別為556.8、592.1、59

7、7mV，最大功率密度分別為31、52.9、75.2mW/m2，平均電壓分別為139、161、178mV左右。在硝化作用的研究中，發(fā)現(xiàn)陰極進水氨氮濃度為20mg/L時，陰極pH在前2h從7.15升高到7.62，但在硝化影響下后又逐漸降低并穩(wěn)定在6.86，而進水中無氨氮時，陰極pH在前2h從7.58迅速上升到了8.62，而且后期無明顯變化。
　　最后分析了運行5個月的碳布陰極MFC微生物種群結構。用聚合酶鏈式反應(PCR)、變性梯度凝

8、膠電泳(DGGE)技術對其中的細菌群落分布進行了研究。研究表明碳布陰極MFC陽極微生物菌屬主要是Acinetobactersp.、Treponema、Pseudomonassaccharophila、unculturedAnaerovoraxsp.;陰極主要是Sediminibacterium、Treponema、Pedobacterheparinus、unculturedAnaerovoraxsp、Bartonellatamiae。其