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(huì)的發(fā)展，支柱性產(chǎn)業(yè)能耗高、效率低、對(duì)傳統(tǒng)能源的過(guò)度依賴，新能源開(kāi)發(fā)不足，導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，制約了我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展。調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，實(shí)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(guó)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(jì)開(kāi)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(shì)，又可進(jìn)行電能的生產(chǎn)，提高了回收的經(jīng)濟(jì)效益。
　　構(gòu)建了BTAMFC的基本構(gòu)型——單格室BTAMFC（Single-compartment BTAMFC，SBTAMFC）?？疾炝岁?yáng)極結(jié)構(gòu)對(duì)SBTAMFC的影響，三維立體陽(yáng)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(yáng)極BTAMFC相比，三維立體陽(yáng)極 BTAMFC總內(nèi)阻由原來(lái)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(duì)比了連續(xù)流與間歇流運(yùn)行方式，連續(xù)流運(yùn)行方式有效地提高了體系的產(chǎn)電性能。間歇流運(yùn)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(duì) 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(duì)廢水的去除能力。以1g/L葡萄糖為底物，當(dāng)HRT=6h時(shí)，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(jìn)水負(fù)荷從4.11 kg COD/(m3 NAC·d)升高至16.0 kg COD/(m3 NAC·d)時(shí)，COD去除率從88%降低至70%。在此過(guò)程中，電池的內(nèi)阻變化不大，始終低于15Ω；當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷為9.60 kg COD/(m3 NAC·d)（HRT=2.5h）時(shí)，擁有最大輸出功率密度（20.

5、8 W/m3）；最大庫(kù)倫效率（48%）在6.96 kg COD/(m3 NAC·d)（HRT=3.5h）時(shí)獲得，因此該體系最佳的水力停留時(shí)間范圍為2.5-3.5h?？疾炝碎L(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)電池性能的影響，結(jié)果顯示，電池經(jīng)過(guò)10個(gè)月的穩(wěn)定運(yùn)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(lái)的48.4%，但仍能輸出7.9W/m3的電能，COD去除率由原來(lái)的88%升高至90%。進(jìn)一步說(shuō)明 DBTAMFC體系的穩(wěn)定性

6、較好，適合于長(zhǎng)期運(yùn)行，電池的壽命至少在10個(gè)月以上。
　　進(jìn)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(jìn)水葡萄糖濃度為5 g/L，與DBTAMFC相比，各個(gè)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(gè)格室的歐姆內(nèi)阻相同，但源于電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻及擴(kuò)散內(nèi)阻的差異使得總內(nèi)阻相差不到1Ω（12-13Ω），說(shuō)明了BTAMFC的內(nèi)阻不會(huì)隨著格室數(shù)的增加而增大，為BTAMFC分格數(shù)進(jìn)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(gè)普遍的規(guī)律，即第一個(gè)格室主要偏向于廢水處理，超過(guò)50%以上的進(jìn)水COD在此

8、格室內(nèi)得以去除。五格室BTAMFC在無(wú)回流時(shí)，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(lái)的86%升高至94%。雖然損失了部分電能，但節(jié)省了投資與運(yùn)行費(fèi)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(shí)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(dá)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