基于單室微生物燃料電池的耦合系統(tǒng)能量回收和廢水處理特性.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境污染是困擾21世紀(jì)人類發(fā)展的兩大瓶頸，因此環(huán)境友好型可再生能源的開發(fā)和利用成為科研工作者重要的研究方向之一。微生物能源轉(zhuǎn)化技術(shù)是可再生能源的一種，具有將廢水中有機(jī)物蘊(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為可被人類直接利用的能量，因而受到了全球科學(xué)家們的廣泛重視。雖然微生物能源轉(zhuǎn)化技術(shù)一般具有底物適應(yīng)性強(qiáng)、清潔無污染、原料成本低和效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于微生物生化轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)物抑制問題的存在使得此技術(shù)的性能和污水處理效率仍然不盡如人意。
　　

2、 針對微生物生化轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)物的抑制問題，本文選取了兩種典型的微生物生化轉(zhuǎn)化技術(shù)--生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)和光合制氫作為研究對象，首次利用單室MFC對底物pH的調(diào)節(jié)作用，分別構(gòu)建了光合產(chǎn)氫-MFC耦合系統(tǒng)和雙室一單室MFC耦合系統(tǒng)。其中構(gòu)建的光合產(chǎn)氫-MFC耦合系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了光合制氫、產(chǎn)電和廢水的連續(xù)處理，并提高了系統(tǒng)的功率密度，COD去除效率和能量回收效率；構(gòu)建的雙室-單室-雙室MFC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了下

3、游MFC性能的大幅提高以及系統(tǒng)功率密度和COD去除效率的有效改善。本文得到的主要結(jié)論如下：
　　 1)成功構(gòu)建并啟動(dòng)光合產(chǎn)氫-MFC耦合系統(tǒng)。以葡萄糖為底物、連續(xù)流方式實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)產(chǎn)氫、產(chǎn)電。相對于獨(dú)立的光合產(chǎn)氫反應(yīng)器和MFC，有效提高了廢水處理效率和能量回收效率。研究了底物濃度和流速對光合產(chǎn)氫-MFC耦合系統(tǒng)性能的影響。研究結(jié)果表明，光合產(chǎn)氫反應(yīng)器和MFC最佳性能時(shí)的工況不同，使系統(tǒng)能量回收和廢水處理效率呈現(xiàn)出不同的特性。底物濃

4、度和流速對耦合系統(tǒng)的功率密度和能量回收效率影響較大，而對COD的去除效率影響較小。當(dāng)?shù)孜餄舛葹?.0 g·L-1，流速為40 mL·h-1時(shí)，耦合系統(tǒng)的功率密度最大，可達(dá)到6.13×105J·m-3h-1，而當(dāng)?shù)孜锪魉贋?0 mL·h-1，底物濃度為4.0 g·L-1時(shí)，耦合系統(tǒng)的能量回收效率最佳，為11.2％。
　　 2)構(gòu)建的光合產(chǎn)氫-WCMFC耦合系統(tǒng)相對于光合產(chǎn)氫-MFC耦合系統(tǒng)，電池性能得到有效的改善，廢水處理效率和能

5、量回收效率均得到不同程度的改善。不同底物濃度時(shí)，耦合系統(tǒng)中光合產(chǎn)氫反應(yīng)器與WCMFC最佳性能時(shí)濃度不同，當(dāng)?shù)孜餄舛葹?.0 g·L-1，WCMFC的最大功率密度最大，為2.79x105 J·m-3·h-1，是MFC在底物不同濃度時(shí)最大功率密度的1.6倍。而耦合系統(tǒng)最大功率密度在底物濃度為6.0 g·L-1時(shí)，最大功率密度為6.79x105J·m-3·h-1。當(dāng)?shù)孜锪魉贋?0 mL·h-1時(shí)，耦合系統(tǒng)中光合產(chǎn)氫反應(yīng)器與WCMFC均達(dá)到最佳

6、性能。此時(shí)，WCMFC最大功率密度為3.33×105J·m-3·h-1，耦合系統(tǒng)最大功率密度為6.79×105J·m-3·h-1。底物濃度和流速對耦合系統(tǒng)COD的去除效率影響較小。當(dāng)?shù)孜餄舛葹?.0 g·L-1，流速為20mL·h-1時(shí)，COD的去除效率最大，為77.8％。而能量回收效率在底物流速為10mL·h-1，底物濃度為4.0 g·L-1時(shí)最佳，為11.73％。
　　 3)利用單室MFC的pH調(diào)節(jié)作用，將單室MFC接入雙室

7、MFC電堆中，達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)雙室MFC電堆中流動(dòng)的培養(yǎng)基pH的目的，當(dāng)在雙室MFC的上游接入單室MFC時(shí)，由于單室MFC對底物pH的調(diào)節(jié)作用，SD系統(tǒng)中雙室MFC的性能在pH為5.5～8.5的范圍內(nèi)均高于DD系統(tǒng)中的雙室MFC。也正是由于單室MFC對底物pH的調(diào)節(jié)作用，被DSD系統(tǒng)中D1電池利用后的酸性底物在進(jìn)入D2電池前被調(diào)節(jié)成中性，使得D2電池的性能僅略低于D1電池。而對于DDS系統(tǒng)，由于進(jìn)入D2的酸性底物pH沒有調(diào)節(jié)，因此D2電池僅