底物對微生物燃料電池產(chǎn)電性能及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, MFC)是以微生物為催化劑氧化分解有機(jī)物,將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的生物反應(yīng)器,能夠?qū)崿F(xiàn)廢水處理和產(chǎn)生電能的雙重效果,在環(huán)境保護(hù)和能源再生方面有非常大的發(fā)展前景。大多數(shù)有機(jī)物都能夠用作微生物燃料電池的底物燃料,但是在實(shí)際應(yīng)用中,MFC處理的有機(jī)廢水種類繁多、成分復(fù)雜,因此研究MFC處理不同底物的產(chǎn)電效能以及MFC對更換底物的響應(yīng)機(jī)制,對于MFC在實(shí)際應(yīng)用中處理生產(chǎn)生活廢水具有

2、重要的指導(dǎo)意義。
　　實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了單室空氣陰極微生物燃料電池,以乳酸為底物運(yùn)行反應(yīng)器,待穩(wěn)定后將底物更換為葡萄糖(Glucose)、乙酸(Acetate)和丙酸(Propionate),穩(wěn)定運(yùn)行四個(gè)周期后,底物換回乳酸。三個(gè)階段中,進(jìn)水底物的COD均為500mg/L,在MFC運(yùn)行過程中分別監(jiān)測電化學(xué)參數(shù),并通過分析陽極生物膜附著形態(tài)和微生物群落結(jié)構(gòu)解析陽極微生物在MFC利用有機(jī)物產(chǎn)電過程中的作用機(jī)制。
　　結(jié)果表明,在乳酸為底

3、物的MFC最高產(chǎn)電電壓為0.231V,功率密度為2.33 W/m3,此時(shí)電池內(nèi)阻為16Ω,COD去除率達(dá)到72.27％,庫倫效率9.08%。將底物更換為葡萄糖、乙酸、丙酸后,MFC分別需要500、330和550h的適應(yīng)時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)電,最高電壓分別是0.125、0.153和0.189V,周期為120、64、70h,對應(yīng)的功率密度為0.77、1.43和1.65 W/m3,庫倫效率較之前有很大提高,分別達(dá)到17.85%、17.91%和29.

4、16%。將底物繼續(xù)更換為乳酸后,反應(yīng)器仍需要一定的適應(yīng)時(shí)間才達(dá)到穩(wěn)定,適應(yīng)時(shí)間分別是193、259、373h,穩(wěn)定后的電壓分別是0.121、0.110和0.188V,低于最初乳酸底物時(shí)的運(yùn)行電壓。同樣,各MFC的功率密度也降低,Glu、Ace和Pro MFC分別為0.74、0.97和1.33 W/m3,因而底物變化后微生物燃料電池的產(chǎn)電能力有所降低。
　　通過DGGE圖譜分析,Ace反應(yīng)器將底物更換為乙酸后,陽極微生物結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯

5、變化,多樣性指數(shù)由2.48增加至2.80。而Glu反應(yīng)器的陽極微生物群落在三個(gè)階段的條帶相似性比較高。同樣,Pro反應(yīng)器三個(gè)階段的條帶也比較相似,可能是因?yàn)槿樗岷捅峤Y(jié)構(gòu)相似,在被降解利用過程中的富集的微生物種類也比較相似。
　　本實(shí)驗(yàn)表明,底物對微生物燃料電池的產(chǎn)電性能和陽極微生物群落結(jié)構(gòu)有一定的影響,底物改變后,MFC需要一定的適應(yīng)時(shí)間才能恢復(fù)正常產(chǎn)電;反復(fù)更換底物,可能會(huì)導(dǎo)致MFC的產(chǎn)電性能降低。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)注意減小底物