固體懸浮顆粒對微生物燃料電池啟動及性能特性的影響.pdf

1、微生物燃料電池（Microbial fuel cell,簡稱MFC）是一種利用附著在陽極表面的產(chǎn)電細菌將有機物中的化學能轉化成電能的生物電化學裝置。在MFC運行時，陽極室中的有機底物（如乙酸鈉等）在附著于陽極電極表面的微生物作用下發(fā)生氧化反應產(chǎn)生CO2、電子和質子，電子和質子分別通過外電路和質子交換膜傳遞到陰極，并與陰極電子受體（如鐵氰酸鉀等）發(fā)生還原反應，從而完成產(chǎn)電過程。MFC因具有底物來源廣泛、反應條件溫和的優(yōu)點，且可在處理污水的

2、同時獲得電能，而受到了國內外研究學者的廣泛關注。
　　在MFC中，陽極底物為微生物的生長代謝提供碳源和能源，研究表明底物不僅影響著陽極生物膜內細菌群體的整體構成，還對電池性能有著重要的影響。MFC常用乙酸鹽、葡萄糖作為底物，近年來，隨著MFC的發(fā)展，研究者開始采用人工或實際的生產(chǎn)、生活污水作為底物，人工污水中有機物濃度、pH值及電導率均可人為控制。然而實際污水不僅化學組分復雜，而且往往還含有一定的惰性懸浮顆粒。污水中固體惰性懸浮顆

3、粒的存在也可能會影響產(chǎn)電細菌的吸附以及生物膜的結構，最終對MFC的性能產(chǎn)生重要影響?？紤]到目前采用實際污水對MFC進行的實驗研究中均未考慮懸浮顆粒對MFC性能的影響，本文針對實際污水中惰性懸浮顆粒會對MFC性能產(chǎn)生的影響，采用含不同濃度SiO2顆粒的培養(yǎng)基模擬含有不同惰性懸浮顆粒濃度的實際污水，對惰性顆粒對MFC性能的影響開展研究。在實驗中，本文采用含不同SiO2顆粒濃度的培養(yǎng)基啟動和培養(yǎng)MFC，并研究不同SiO2顆粒濃度對MFC啟動及

4、性能特性的影響。主要研究結果如下：
　　1）MFC啟動和培養(yǎng)階段均采用含SiO2顆粒的培養(yǎng)基：實驗結果表明，MFC啟動所需時間不隨SiO2顆粒濃度變化而變化，而電池輸出電壓隨SiO2顆粒濃度增大而降低。隨著SiO2顆粒濃度增大，MFC生物膜活性生物量減少、導致EPS含量降低、生物膜電化學活性也隨之降低。MFC陽極內阻隨SiO2顆粒濃度增大而增大也會導致電池產(chǎn)電性能下降。當SiO2顆粒濃度為0、200、500、1000和2000mg

5、/L時，電池最大功率密度分別為1720±5、1641±4、1294±3、863±2、776±2mW/m2。
　　2）MFC啟動階段采用不含SiO2顆粒的培養(yǎng)基，培養(yǎng)階段則采用含不同濃度SiO2顆粒的培養(yǎng)基：實驗結果表明，當MFC在無SiO2顆粒條件下啟動成功后更換為含SiO2顆粒的培養(yǎng)基時，若SiO2顆粒濃度小于500mg/L，MFC性能不會發(fā)生衰減現(xiàn)象。而當SiO2顆粒大于500mg/L，SiO2顆粒對電池性能影響較大。此時，M

6、FC生物膜活性生物量隨著SiO2顆粒濃度的增大而減少、導致EPS含量和生物膜電化學活性的降低。隨著SiO2顆粒濃度增大，由于生物膜活性生物量降低的同時，生物膜電化學活性也發(fā)生降低，引起陽極內阻增大，最終導致電池性能下降。當SiO2顆粒濃度為0、200、500、1000和2000mg/L時，電池最大功率密度分別為1720±5、1695±5、1649±5、1259±3、1124±2mW/m2。上述結果表明，在電池啟動時應嚴格控制底物中SiO

7、2顆粒濃度，而在電池運行時，僅需將SiO2顆粒含量控制于小于500mg/L以下即可。
　　3）MFC啟動階段采用含不同SiO2顆粒濃度的培養(yǎng)基，培養(yǎng)階段則采用不含SiO2顆粒的培養(yǎng)基：實驗結果表明，生物膜活性生物量、EPS含量和電化學活性均隨SiO2顆粒濃度增大而降低，從而引起陽極內阻增大，最終導致MFC產(chǎn)電以及降解有機物的能力均降低，當SiO2顆粒濃度為0、200、500、1000和2000mg/L時，電池最大功率密度分別為17

8、20±5、1608±4、1319±3、985±2、894±2mW/m2。上述結果表明，在采用相同SiO2顆粒濃度的條件下，電池在含SiO2顆粒條件下啟動后，若操作階段采用不含SiO2顆粒的培養(yǎng)基，MFC性能亦能獲得一定程度的提升。然而，由于部分SiO2顆粒無法徹底排除出生物膜，因此上述操作條件并不能完全使電池性能恢復至無SiO2顆粒培養(yǎng)基啟動時電池的性能水平。上述實驗結果也說明了，在實際MFC應用中，電池運行時必須采用無SiO2顆粒的底