微生物燃料電池處理有機(jī)廢水過(guò)程中的產(chǎn)電特性研究.pdf

1、隨著全世界范圍內(nèi)的能源緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題的加劇，研發(fā)新的環(huán)境友好處理工藝從有機(jī)廢水中回收有價(jià)能源已經(jīng)成為環(huán)境工程領(lǐng)域一個(gè)重要的方向，是實(shí)現(xiàn)廢水處理能源化與可持續(xù)性發(fā)展的重要途徑之一。微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFC）能夠利用微生物作為催化劑將有機(jī)化合物氧化分解，同時(shí)產(chǎn)生電流，將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，是一種全新的廢水處理技術(shù)。目前，MFC在全世界范圍內(nèi)的研究尚處于起步階段，大量的工作集中在技術(shù)的可行

2、性和基礎(chǔ)研究的水平上，而限制該技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)化和工程應(yīng)用的主要問(wèn)題是產(chǎn)電功率密度低，材料造價(jià)昂貴，MFC型式的不確定。
　　針對(duì) MFC研究目前存在的問(wèn)題，本文以典型的雙室 MFC和單室 MFC為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了 MFC的基本特性、陽(yáng)極底物溶液性質(zhì)的影響、陰極強(qiáng)化、空氣陰極 MFC結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及相關(guān)機(jī)制。論文取得了一些創(chuàng)新性的研究成果。
　　使用厭氧污泥能夠成功啟動(dòng)雙室MFC和單室MFC，在間歇運(yùn)行方式下，使用乙酸鈉作為單

3、一的有機(jī)底物能夠獲得穩(wěn)定的電壓輸出和COD去除。最大功率密度的順序?yàn)椋篕3[Fe(CN)6]陰極MFC>空氣陰極MFC>曝氣陰極MFC。K3[Fe(CN)6]陰極MFC、曝氣陰極MFC和空氣陰極MFC的庫(kù)侖效率CE與COD去除率分別為49％、28.2%、33.8%和60%、45.3%、80%。控制雙室MFC性能的關(guān)鍵因素是陽(yáng)極特性，而控制單室MFC性能的關(guān)鍵因素是空氣陰極的催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和氧傳質(zhì)特性。導(dǎo)致K3[Fe(CN)6]陰極MFC

4、和空氣陰極MFC庫(kù)侖損失的主要原因分別是厭氧菌與產(chǎn)電菌爭(zhēng)奪有機(jī)底物和氧氣的陰極擴(kuò)散。這些結(jié)果表明，MFC能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)電和同步有機(jī)廢水處理；此外，在對(duì)MFC反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化時(shí)要充分考慮到不同形式MFC功率密度和庫(kù)倫效率的主要限制因素不同。
　　單糖、多糖以及一些常見(jiàn)的小分子有機(jī)揮發(fā)酸鹽和醇類(lèi)物質(zhì)均可作為MFC產(chǎn)電的有機(jī)底物，功率密度隨有機(jī)底物濃度的變化具有“飽和效應(yīng)”，可以用經(jīng)典的Monod方程式進(jìn)行描述和非線性回歸分析。底物

5、濃度較高時(shí)，攪拌的影響不明顯；底物濃度較低時(shí)，攪拌的影響十分顯著。在雙室MFC中，陽(yáng)極電解液具有良好的緩沖能力能夠維持pH處在一個(gè)穩(wěn)定的水平，是保證MFC穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。適當(dāng)?shù)靥岣唠x子強(qiáng)度能夠降低MFC的內(nèi)阻，提高電流密度和功率密度。無(wú)論對(duì)于雙室MFC還是單室MFC，高濃度的NH3-N對(duì)MFC產(chǎn)電都沒(méi)有影響。單室MFC中的NH3-N轉(zhuǎn)化與好氧氨氧化有關(guān)，與產(chǎn)電無(wú)關(guān)。雙室MFC中陽(yáng)極的一部分NH3-N在產(chǎn)電過(guò)程中以NH4+的形式擴(kuò)散進(jìn)

6、入陰極，以維持電荷平衡。這些結(jié)果都表明，在對(duì)MFC進(jìn)行基礎(chǔ)研究和運(yùn)行優(yōu)化時(shí)，要充分考慮到有機(jī)物、水力條件及電解液緩沖能力對(duì)系統(tǒng)的影響和限制作用。
　　通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，在雙室MFC中，酸性KMnO4陰極MFC的開(kāi)路電位能夠達(dá)到1.48 V，最大功率密度遠(yuǎn)高于K3[Fe(CN)6]和氧氣。在使用酸性KMnO4陰極時(shí)，陰極的電極電位主要受控于KMnO4濃度和pH，但對(duì)pH更加敏感。在[KMnO4]=20 mg·L-1和pH=3.5的條

7、件下，環(huán)式MFC的最大功率密度能夠達(dá)到3986.72 mW·m-2。SEM和XPS分析表明，KMnO4的主要還原產(chǎn)物是沉積在電極表面的固相MnO2，這是KMnO4陰極MFC具有高電位的主要原因。對(duì)于單室空氣陰極MFC來(lái)說(shuō)，陰極的性能是影響功率輸出的重要因素?？s短電極距離、增大陰極的面積都能夠降低電池內(nèi)阻?？諝怅帢O的Pt負(fù)載量對(duì)功率輸出的影響與Nafion溶液的使用密切相關(guān)。這些結(jié)果都充分表明，提高陰極的電化學(xué)氧化性能是強(qiáng)化MFC功率輸出

8、的重要途徑。
　　開(kāi)發(fā)了更適于廢水處理的升流式空氣陰極MFC（UAMFC）。隨著有機(jī)負(fù)荷率的增加，功率密度先升高再降低；COD去除率、CE、EE和pH均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析表明，電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻Rc、歐姆內(nèi)阻Rohm和擴(kuò)散內(nèi)阻Rd分別占總內(nèi)阻的22.6%、50.2%和26.3%，歐姆內(nèi)阻占主導(dǎo)作用，主要由UAMFC的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定。高有機(jī)負(fù)荷下，回流比影響不顯著；低有機(jī)負(fù)荷下，提高回流比能顯著提高功率密度。氮的去