折流板管狀空氣陰極微生物燃料電池構(gòu)建及產(chǎn)電特性研究.pdf

1、伴隨社會的發(fā)展，支柱性產(chǎn)業(yè)能耗高、效率低、對傳統(tǒng)能源的過度依賴，新能源開發(fā)不足，導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，制約了我國的可持續(xù)發(fā)展。調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)多樣化，發(fā)展清潔能源、加大新能源利用已成為我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的主攻方向。
　　將厭氧折流板工藝與微生物燃料電池工藝相結(jié)合，設(shè)計開發(fā)了折流板管狀空氣陰極微生物燃料電池（baffled tubular air-cathode MFC，BTAMFC）（200810063876.5及PCT/C

2、N2009/070168），該反應(yīng)器既保留了厭氧折流板工藝在廢水處理中的優(yōu)勢，又可進行電能的生產(chǎn)，提高了回收的經(jīng)濟效益。
　　構(gòu)建了BTAMFC的基本構(gòu)型——單格室BTAMFC（Single-compartment BTAMFC，SBTAMFC）?？疾炝岁枠O結(jié)構(gòu)對SBTAMFC的影響，三維立體陽極結(jié)構(gòu)更有利于體系的產(chǎn)能與廢水的去除。與碳板陽極BTAMFC相比，三維立體陽極 BTAMFC總內(nèi)阻由原來的19.8Ω降低為12.1Ω，最大

3、功率密度升高至582.4 mW/m2，COD去除率也從47％增加至88%。對比了連續(xù)流與間歇流運行方式，連續(xù)流運行方式有效地提高了體系的產(chǎn)電性能。間歇流運行BTAMFC的總內(nèi)阻增加了7.4Ω，功率密度降低至407.1mW/m2，COD去除率變化不明顯。
　　考察了分格數(shù)對 BTAMFC的影響，將單室 BTAMFC構(gòu)建成雙室BTAMFC（dual-compartment BTAMFC, DBTAMFC），不僅增大了輸出電能，還增加了

4、體系對廢水的去除能力。以1g/L葡萄糖為底物，當HRT=6h時，最大功率密度為15.2 W/m3，COD去除率為88%，內(nèi)阻為13.7Ω。隨著進水負荷從4.11 kg COD/(m3 NAC·d)升高至16.0 kg COD/(m3 NAC·d)時，COD去除率從88%降低至70%。在此過程中，電池的內(nèi)阻變化不大，始終低于15Ω；當進水負荷為9.60 kg COD/(m3 NAC·d)（HRT=2.5h）時，擁有最大輸出功率密度（20.

5、8 W/m3）；最大庫倫效率（48%）在6.96 kg COD/(m3 NAC·d)（HRT=3.5h）時獲得，因此該體系最佳的水力停留時間范圍為2.5-3.5h?？疾炝碎L期運行對電池性能的影響，結(jié)果顯示，電池經(jīng)過10個月的穩(wěn)定運行，仍保持較高的電能輸出及COD去除率，輸出電壓降低了6.4%，最大功率密度降低為原來的48.4%，但仍能輸出7.9W/m3的電能，COD去除率由原來的88%升高至90%。進一步說明 DBTAMFC體系的穩(wěn)定性

6、較好，適合于長期運行，電池的壽命至少在10個月以上。
　　進一步增加分格數(shù)，優(yōu)化BTAMFC的產(chǎn)電性能及廢水處理效果。由雙格室DBTAMFC增加成五格室 BTAMFC（Five-compartment BTAMFC，F(xiàn)BTAMFC），體積增大了4.5倍。進水葡萄糖濃度為5 g/L，與DBTAMFC相比，各個格室在1000Ω下輸出的電壓并未改變，總輸出功率從DBTAMFC的20.8 W/m3提高至54.7 W/m3，總COD去除率為

7、86%。各個格室的歐姆內(nèi)阻相同，但源于電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻及擴散內(nèi)阻的差異使得總內(nèi)阻相差不到1Ω（12-13Ω），說明了BTAMFC的內(nèi)阻不會隨著格室數(shù)的增加而增大，為BTAMFC分格數(shù)進一步增加提供了參考數(shù)據(jù)。除第一格室內(nèi)阻外，其余各格室內(nèi)阻均小于DBTAMFC。各格室按從前至后的順序COD去除率分別為67%、25%、32%、3.5%和11%，揭示了BTAMFC體系一個普遍的規(guī)律，即第一個格室主要偏向于廢水處理，超過50%以上的進水COD在此

8、格室內(nèi)得以去除。五格室BTAMFC在無回流時，各格室的最大功率密度均降低，總功率密度降低了13.6 W/m3，但總COD去除率由原來的86%升高至94%。雖然損失了部分電能，但節(jié)省了投資與運行費用，提高了廢水處理效果。增加底物濃度（由5g/L增至10g/L）大大降低了第一、三格室的產(chǎn)電性能使得10g/L時總功率密度降低了33.9 W/m3，但COD去除率保持在94%。
　　將秸稈纖維素燃料乙醇洗液廢水稀釋后直接用于DBTAMFC中

9、產(chǎn)電，最大輸出功率密度為10.7 W/m3，COD去除率達89.1%，并伴有脫色效果。首次將秸稈纖維素燃料乙醇醪液廢水直接應(yīng)用于FBTAMFC產(chǎn)電，總功率密度為20.8 W/m3，COD去除率為95%。首次將BTAMFC工藝與CSTR（產(chǎn)酸相）、EGS（產(chǎn)甲烷相）及SBR反應(yīng)器（好氧段）的廢水處理工藝聯(lián)合應(yīng)用，將秸稈纖維素燃料乙醇醪液廢水SBR工藝段出水作為單室BTAMFC底物產(chǎn)電，電壓由412mV降低至296mV，最大功率密度為2.7