微生物燃料电池--课件

,日期：,2017.12.20,汇报人,：,xxx,微生物燃料电池（,MFC,）,2,1,7,MFC,（,microbial fuel cell,）：利用微生物的作用进行能量转换,(,如碳水化合物的代谢或光合作用等,),，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置。在微生物燃料电池中用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换,。,SMFC,：沉积物微生物燃料电池,MEC(Microbial Electrolysis Cell):,生物电解池,PEM(Proton Exchange Membrane):,质子交换膜,概念,1,研究背景与发展现状,2,微生物燃料电池概述,3,微生物燃料电池的应用,4,未来研究趋势及展望,5,基础研究案例分析,目录,CONTENTS,研究背景,目前,解决日趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类社会能够完成可持续发展的两大根本性问题。,化石燃料的的使用,大气污染：酸雨，光化学烟雾，温室效应等,土壤污染：重金属沉积等,水环境污染：含矿废水,因此,，,寻求可再生的新能源已引起广泛的关注,，,微生物燃料电池是一种可以实现能量转换及产能的新概念的装置。在此情况下,微生物,燃料,电池,作为一种可利用有机废物产能的装置正走向世界能源的舞台,。,1910,年,20,世纪,80,年代末期,1991,年,2002,年后,开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水的范例，然而，直到最近几年用MFC处理生活污水得到的电池功率才有所增强；,采用电子传递介体的微生物燃料电池的研究全面开展；,英国植物学家马克,比特发现将铂电极放在大肠杆菌和酵母菌的培养液中，发现可以产生电流，由此拉开了微生物燃料电池研究的序幕；,发展,现状,1910,年,20,世纪,80,年代末期,1991,年,2002,年后,发展,现状,人们发现一些细菌可以直接将电子传递给固体导体，如阳极，由此提出了无需外加电子传递介体的微生物燃料电池，使微生物燃料电池的研究又进一步有了突飞猛进地发展。,近几年, MFC的研究已经成为治理和消除环境污染源,开发新型能源研究工作者的关注热点,。,1,研究背景与发展现状,2,微生物燃料电池概述,3,微生物燃料电池的应用,4,未来研究趋势及展望,5,基础研究案例分析,目录,CONTENTS,MFC,的基本原理,PEM,负载,阳极室,阴极室,O,2,CO,2,H,+,e,-,e,-,e,-,H,2,O,e-,H,+,有机物,微生物,图,1.,微生物燃料电池工作原理,Fig. 1,The working principle of a microbial fuel cell,有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极，与氧反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示：,阳极反应：,(CH2O)n,nH2O nCO2,4ne-,4nH+,阴极反应：,4e-,O2,4H+ 2H2O,MFC,的基本原理,微生物燃料电池的分类,异养,光能异养,沉积物型,异养,微生物燃料电池是指厌氧菌代谢有机物产生电能；,光能异养微生物燃料电池是指光能异养菌,(,如藻青菌,),利用光能和碳源作底物，以电极作为电子受体输出电能；,沉积物微生物燃料电池是微生物利用沉积物相与液相间的电势差产生电能。,微生物燃料电池的分类,根据营养类型,微生物燃料电池的分类,依据微生物燃料电池的外型分类,双室微生物燃料：电池构造简单，易于改变运行条件,(,如极板间距，膜材料，阴阳极板材料等,),。,单室微生物燃料：电池直接以空气中的氧气作为氧化剂，阴极不需要曝气，阴阳极板之间可以不加质子交换膜，结构简单成本低，但库仑效率一般都很低，只有,30,。,介体微生物燃料电池,微生物细胞膜含有肽键或类聚糖等不导电物质，对电子传递造成很大阻力，需要借助介体将电子从呼吸链及内部代谢物中转移到阳极。,在微生物燃料电池中加入适当的介体，会显著改善电子的转移速率。,介体应该具备,的,特性,介体,的氧化态易于穿透细胞膜到达细胞内部的还原组分；,其,氧化还原式量电位要与被催化体系的电位匹配；,其,氧化态不干扰其它的代谢过程；,其,还原态应易于传过细胞膜而脱离细胞；,其,氧化态必需是化学稳定的、可溶的，并且在细胞和电极表面均不发生吸附；,其,在电极上的氧化还原反应速率非常快、且有很好的可逆性。,微生物燃料电池的分类,无介体微生物燃料电池,指微生物燃料电池中的细菌能分泌细胞色素、醌类等电子传递体，可将电子由细胞膜内转移到电极上,。,可,使用微生物,目前发现的这类细菌有腐败希瓦菌,(Shewaulella putrefaciens),、地杆菌,(Geobacteraceae,），,酸梭菌,(Clostridium butyricum),及,(Rhodoferax Ferrireducens),、,粪产碱菌,(Alcaligenesfaecalis),，,鹑鸡肠球菌,(Enterococcusgallinamm),和铜绿假单胞菌,(PseudomonaSaemginosa),等。,微生物燃料电池的分类,微生物燃料电池,的组成,微生物燃料电池,的组成,组成成分,原料,标注,阳极,石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳,必需,阴极,石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳,必需,阳极室,玻璃、聚碳酸脂、有机,玻璃,必需,阴极室,玻璃、聚碳酸脂、有机,玻璃,非必需,质子交换膜,质子交换膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸,必需,电极催化剂,铂、铂黑、聚苯胺、固定在阳极上的电子介体,非必需,微生物燃料电池,的组成,阳极材料,一般微生物燃料电池用无腐蚀性的导电材料作为阳极,如碳、石墨等。对阳极的研究主要是对导电材料的改性和加入其他的催化剂。,微生物燃料电池,的组成,微生物燃料电池,阳极电子传递机制示意图,:A.,直接接触,;B.,纳米导线,;C.,氧化还原介体,;D.,还原态初级代谢产物原位氧化,阳极研究进展,阳极产电机制,其电子直接从微生物细胞膜传递到,电极,，呼吸链中细胞色素是实际电子载体；提高电池功率，关键在于提高细胞膜与电极材料的接触效率。,氧化态中间体 还原态中间体 排除体外 电极表面被氧化,细菌通过其纳米级的纤毛或菌毛实现电子传递，该菌毛或纤毛称为纳米电线（,nanowire,）。,微生物降解有机物产生初级代谢产物，初级代谢产物在催化剂的作用下发生原位氧化反应，将产生的电子传递至阳极。,A,细胞膜直接传递电子,B,纳米,导线,C,由中间体传递电子,D,还原态初级代谢产物原位氧化,微生物燃料电池的组成,微生物燃料电池的组成,阳极材料的要求是：高导电，耐腐蚀，高比表面积（区每卷），孔隙率高，非污染（例如，细菌不会填满它），廉价，和容易和规模较大的尺寸,。,Qiao报道,了用碳纳米管/ 聚苯胺(CNT/ PANI)作为MFC 阳极。,Kargi,等用,铜和铜- 金导线来代替石墨电极作为MFC 的阳极,结果发现,随着阳极表面积的增大,产生的电流和功率也随之增大。,Rosenbaum研究,了用碳化钨作为微生物燃料电池的阳极,获得了不错的效果,其电化学活性和化学稳定性作为微生物燃料电池的阳极是适合的。,1,.加入其他催化剂,微生物燃料电池的组成,碳,布进行了氨基修饰后，由于氨基基团的存在，材料本体上的表面电荷得到了显著,增加，,微生物与电极表面间的静电作用得到了显著增强，同时氨基与微生物表面的羧基形成肽键，增强它们之间的相互作用。,电化学氧化修饰法主要是通过在酸性溶液中的电解，增加电极表面的羧基基团。虽然微生物,表面净,电荷为负电，电极表面羧基的增加会增大静电排斥力，但是由于微生物表面存在着大量细胞色素，其上含有许多活性基团，羧基可以与细胞色素上的活性基团形成强烈的氢键等化学键作用，增强了微生物与电极之间的化学相互作用。,2.,对材料的改性,微生物燃料电池,的组成,阴极材料,阴极是制约,MFC,产电的主要原因之一。最理想的阴极电子受体应当是氧气，但是氧气的还原速度较慢，直接影响了,MFC,的产电性能。,MFC,阴极,非生物阴极,生物阴极,好氧型,厌氧型,根据最终电子受体不同,生物阴极可显著降低,MFC,成本，避免催化剂中毒，提高稳定性。,好氧型生物阴极空气中的氧气,是常用,的电子受体；厌氧型生物阴极常以,硝酸盐、硫酸盐、尿素和,CO,2,等为电子受体。,非生物阴极常用的催化剂主要有,Pt,、过渡金属元素,等。,Pt,是最广泛的高效催化剂，能使,MFC,的产电性能提高近,4,倍。但成本高、稳定性差、也容易造成催化剂污染。,微生物燃料电池,的组成,在,双室MFCs 中,PEM 的作用不仅体现在将阳极室和阴极室分隔开和传递质子,同时还要能阻止阴极室内氧气扩散至阳极室。,在,单室,MFCs,中,一般采用“二合一”电极,即将,PEM,热压在阴极内侧。,质子交换膜(PEM),PEM 对电池产电性能影响也,很大,:,微生物燃料电池,的组成,产电微生物及其群落,无介体微生物是,MFC,研究的主流，这类微生物可以自我产生电子介体或者通过自身的细胞组织进行电子传递，如细胞膜电子传递链和纳米导线，解决了需电子介体微生物燃料电池的高运行成本问题，同时也保证了功率密度的高效输出。,纳米,导线的发现，不仅给微生物燃料电池在提高产电效率方面带来了希望、设计和制造廉价高效的生物阳极，还为环境污染修复、细胞生物信息学以及纳米生物电子学方面提供了潜在的应用前景，因此，生物纳米导线的人工制备方法是今后研究的主题之一。,微生物燃料电池,的组成,MFC,实物组图 电化学工作站 数据采集系统,恒温培养箱 无菌操作台,厌氧,工作站,1,研究背景与发展现状,2,微生物燃料电池概述,3,微生物燃料电池的应用,4,未来研究趋势及展望,5,基础研究案例分析,目录,CONTENTS,微生物燃料电池,的,应用,优点：,在微生物的催化下，生物质能直接转化为电能，理论转化效率高,;,生物质廉价且来源广泛，无需特殊的预处理过程,;,使用微生物取代贵金属催化剂降低了燃料电池的基础投资，使建造廉价的大规模,MFC,成为可能,;,常温常压,pH,中性条件下运行，生物相容性好,;,产物无毒无害，是碳中性的绿色产能技术,。,微生物燃料电池,的,应用,产电功率密度低；,对于细菌本身的呼吸方式和电子传递到电极机理研究不够；,使用价格不菲的碳纸、载铂碳纸等材料作电极等因素导致了电池的造价成本高，,MFC,多以间歇操作为主，且反应器容积过小；,研究的阳极底物一般仅为有机养料和模拟废水的混合物，对高有机物浓度废水的,MFC,技术研究较少，针对废水处理的,MFC,基础研究较少。,采用空气阴极成功构建微生物燃料电池，并将其用于生活污水的处理，结果发现化学需氧量的去除率可达,80,；,微生物燃料电池处理了含不同底物的污水，该研究可以连续处理水，并在此过程中持续产生电流。,废水处理,微生物燃料电池,的,应用,能否把微生物控制在一定范围内；,现在起搏器主要使用锂,-,碘电池，寿命是八九年；而生物燃料电池的寿命不可控制；,微生物的耐受能力。,开发出了一种新型微生物燃料电池并将其植入到人体内，作为微型心脏起搏器。,作为高空、深海、偏远地区等特殊区域的电源，在深海底部为海底需要实施监控的仪器提供电能。,特殊环境中的电源,微生物燃料电池,的,应用,产,氢（,MEC,）,生物燃料电池,电助产氢反应器的优点是阴极省略了,MFC,常用的电子受体,氧,气,，可避免因氧气通过质子交换膜向阳极扩散而影响反应器运行；同时该工艺产生的氢气纯度较高，可积累、储存及运输，推动了,MFC,技术的实际,应用。,其,工作原理：无氧条件下，对双室,MFC,阴极施加一个远小于水分解电压的小电压，可促进转移到阴极的电子和质子结合生成氢气，达到利用,MFC,系统产氢的目的。,微生物燃料电池,的,应用,生物传感器,生物传感器是指能提供定量或者半定量分析的一种装置，包括生物识别元素和信号传输放大元素。由于微生物燃料电池的电流（电压）或电子库仑量与电子供体的含量之间存在对应关系，因此微生物燃料电池能用于某些底物含量的测定，如有机碳、废水,BOD,以及有毒物质等，其中用于废水中,BOD,测定的研究最为成熟，已有相关报道。,微生物燃料电池,的,应用,MFC,技术资源化利用剩余污泥,剩余污泥的处理处置一直以来都难以达到满意的效果，已经成为制约污水处理事业发展的瓶颈问题，其处置形势已经十分严峻，因此，寻求经济有效的减量化、稳定化以及资源化污泥处理处置技术具有重要的现实意义。,以,MFC,技术来处理剩余污泥成为污泥处理的又一新方向。此法不但可以减少污泥处置费用，还可以使污泥减量化，又能将污泥中丰富的有机质能转化为电能，从而实现污泥的资源化利用。,微生物燃料电池,的,应用,MFC,资源化利用剩余污泥有两种形式：,直接利用：,间接利用：,微波预处理剩余污泥,剩余污泥发酵产生的,VFA,作为燃料,剩余污泥可作为微生物燃料电池的燃料，处理污泥并同步发电即，微生物燃料电池技术资源化利用剩余污泥是可行的，可产生一定的电压与输出功率密度（,较低,）,直接利用剩余污泥为燃料的微生物燃料电池技术，其电压和输出功率密度较低。为了提高微生物燃料电池技术的产电性能，可对剩余污泥进行一定的预处理，间接利用剩余污泥为微生物燃料电池的燃料。,微生物燃料电池,的,应用,MFC,在固体废物堆肥中的应用,有,学者在固体介质如土壤、底泥中应用,MFC,技术，发现植物生长过程中根系分泌物对微生物的刺激作用可以使电流输出功能功率提高,7,倍。接下来介绍,MFC,技术新的应用方向，在堆肥处理固体有机废物过程中构建,MFC,，将堆肥中产生的生物能转变为电能。利用,MFC,可将堆肥中的废气和废液进行二次生物处理，在减轻或消除毒害的同时产生易于利用的电能，具有重要的实际意义,。,微生物燃料电池,在有机废物的处理中具有无污染和产能的优势，在固体废物堆肥中的应用与溶液和废水中相比又体现出新的特点。,微生物燃料电池,的,应用,固体废物堆肥微生物燃料电池的特点,：,与废水作为底物的,MFC,相比，堆肥产电过程不需要频繁更换底物，为产电菌的富集和生长提供了更加稳定的外部环境,。,由于堆肥的物料有机质含量高，在长时间内可以提供持续稳定的电流输出,，,具有较大的市场潜力,。,相对于废水需要外加热量来保持适宜的温度，固体废物堆肥可以通过自身产热来提高温度，不需要人工加热,。,质子,从阳极区向阴极区的传递效率对,MFC,的性能是非常重要,的。,1,研究背景与发展现状,2,微生物燃料电池概述,3,微生物燃料电池的应用,4,微生物燃料电池的问题与展望,5,基础研究案例分析,目录,CONTENTS,根据,热力学理论计算，以乙酸盐为底物、氧气为电子受体的,MFC,系统，最大理论电压值为,1.105V,。目前，,MFC,能达到的开路电压值与传统燃料电池相近，但输出功率水平仍然较低，使得,MFC,的研究大多仍停留在实验室阶段，还不能得到大规模应用。,具体影响因素,影响,电子传递,速率,的主要因素,影响因素,产电,性能,微生物燃料电池的问题与展望,问题一,:,产电性能低,具体影响因素,影响,电子传递,速率,的主要因素,影响因素,产电,性能,微生物燃料电池的问题与展望,MFC,的产电效果主要取决于电子的传递速率。,微生物对底物的氧化；,电子从微生物到电极的传递；,外电路的负载电阻；,向阴极提供质子的过程；,氧气的供给和阴极的反应。,产电菌种、反应器构型、电极材料、底物类型等。,问题一,:,产电性能低,微生物燃料电池的问题与展望,人们,将,MFC,由实验室规模放大时，功率密度大规模降低。考虑到实际应用，在构型设计、电极材料选择等方面还存在很多问题，,MFC,的成本、功率输出以及底物利用效率，微生物燃料电池的稳定性是制约该技术走向实用化的瓶颈问题。,问题二,:,处于,基础研究阶段，实现,MFC,的工程放大,困难,微生物燃料电池的问题与展望,（,1,）电能,的输出很大程度上受到阴极反应的影响。低电量输出往往由于阴极微弱的氧气还原反应以及氧气通过质子交换膜扩散至阳极。特别是对于一些兼性厌氧菌而言，氧气扩散到阳极会严重影响电量的产生，因为这类菌很可能不再以电极为电子受体而以氧气作最终电子受体。对于阴阳极材料的选择继续是微生物燃料电池研究的重点之一。,基于以上问题的研究方向：,微生物燃料电池的问题与展望,（,3,）在,电池的构造方面，现有的微生物燃料电池一般有阴阳两个极室，中间由质子交换膜隔开。这种结构不利于电池的放大。单室设计的微生物燃料电池将质子交换膜缠绕于阴极棒上，置于阳极室，这种结构有利于电池的放大，己用于大规模处理污水。,（,2,）目前,大多数微生物燃料电池由单一菌种构建。要达到普遍应用的目的，急需发现能够使用广泛有机物作为电子供体的高活性微生物。今后的研究将继续致力于发现和选择这种高活性微生物。以有机废水,(,如淀粉厂出水,),为燃料建立微生物燃料电池，试图分离所需菌种,。,选择适合的不同菌种进行复合培养，使之在电池中建立这种所谓的共生互利关系，以获得较高的输出功率,；,微生物燃料电池的问题与展望,(,4),质子交换膜对于维持微生物燃料电池电极两端,pH,值的平衡、电极反应的正常进行都起到重要的作用。理想的质子交换膜应具有将质子高效率传递到阴极；阻止燃料,(,底物,),或电子受体,(,氧气,),的迁移。但是，通常的情况是，质子交换膜微弱的质子传递能力改变了阴阳极的,pH,值，从而减弱了微生物活性和电子传递能力，并且阴极质子供给的限制影响了氧气的还原反应。质子交换膜的好坏和性质的革新直接关系到微生物燃料电池的工作效率、产电能力等。目前，研究最多的是,Nafion,膜，它是一种全氟磺酸质子交换膜，具有较高的离子传导性。但因其成本及氧气扩散的限制而不利于工业化。所以今后将设法提高质子交换膜的穿透性以及建立非间隔化的微生物燃料电池。,微生物燃料电池的问题与展望,（,5,）内阻,问题,：,内,电阻的微降会显著地提高输出功率，说明其在提高电池的输出功率方面具有重要,作用,：,1,）PEM对内阻的,影响；2,）PEM和电极的空间距离对内阻的,影响；3,）电极间距离和电极表面积对系统内电阻的影响,（,6,）传递,问题,：,反应,物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散速率是电子传递过程中的主要制约,因素,：,氧,作为阴极反应的电子受体最大问题是在水中的溶解度低,。所以，考虑不同的物质作为阴极反应的电子受体也受到关注。,微生物燃料电池的问题与展望,展望,总之,微生物燃料电池是一种能将产生新能源和解决环境污染问题有机的结合起来的新技术,其蕴藏的极大潜力为今后人类充分利用工农业废弃物和城市生活垃圾等生物质资源进行发电提供了广阔的前景。,目前,虽然要让微生物燃料电池提供更高且稳定的输出功率,还有待于相关技术的进一步提高。但完全可以相信,随着微生物学和电化学技术的不断发展,微生物燃料电池将会成为未来利用各种有机(废) 物发电的新技术核心。,1,研究背景与发展现状,2,微生物燃料电池概述,3,微生物燃料电池的应用,4,未来研究趋势及展望,5,基础研究案例分析,目录,CONTENTS,利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用,1.,猪场养殖污水,实验所用养猪废水取自厦门市郊某养猪场，为猪粪和猪舍冲洗水组成的混合废水，其水质特征如表,1,所示,依据,畜禽养殖业污染物排放标准,GB 18596-2001,，最高允许日均排放浓度：,COD,为,400 mg/L,、氨氮为,80 mg/L,、总磷为,8 mg/L,利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用,阴阳极,碳毡,表面积,：,16 cm,2,质子交换膜,阴阳极室体积：,135cm3,双室,MFC,(,有机玻璃板,),阴极室,:,微藻（去除,N,、,P,）,阳极室,:,光和细菌（去除,COD,）,外加电阻,：,1000,2.MFC,装置构造,阳极接种物,：,光合菌群,阴极微生物,：,栅藻,( Desmodesmus sp,A8 ),MFC,启动阶段,：,阳极液,:,人工废水,（乙酸钠）,阴极液,:BG11,培养基,电池稳定运行后,：,阳极液,：,养猪废水,阳极出水为阴极进水,反应器置于,3000 lx,光照下运行，温度恒定在,28,。,待输出电压降至,40mV,以下更换培养液,点击输入标题内容,3. MFCs,的接种与运行,利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用,4.,水质分析,COD,测定采用重铬酸,钾,氧化法，氨氮测定采用纳氏试剂比色法，,TP,测定采用钼酸铵分光光度法,氨氮,、,磷,及,COD,的去除率,( r),计算公式如下,：,式中，,C,0,和,C,t,分别为初始浓度和处理,t,天后的浓度,氮浓度,250 mg,L,-1,硝氮,( NaNO,3,),、氨氮,( NH,4,Cl),、有机氮,(,尿素,),、,硝铵混合氮,( NH,4,NO,3,),氮源,添加,NaNO,3,氮浓度分别为,0,、,5,、,50,、,125,、,250 mg,L,-1,氮浓度,采用,K,2,HPO,4,磷浓度分别为,0. 8,、,7.2,、,21.6,、,64.8 mg,L,-1,磷浓度,微藻,BG11,培养基,5.,氮、磷对微藻生长的影响,利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用,利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用,6.,结果与讨论,6.1,氮源及氮磷浓度对,MFC,阴极微藻生长的影响,图,2,氮源（,a,）对微藻,A8,的生长影响,4,种氮源均能促进微藻的生长；,有机氮硝态氮硝铵混合氮氨氮,利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用,图,2,氮浓度（,b,）、磷浓度（,c,）对微藻,A8,的生长影响,随着,N,、,P,浓度的增加，微藻生长速率增加,6.2,光照对阳极光合细菌群电势的影响,开路电势,反应了微生物的代谢途径，常用于表征微生物燃料电池的性能,。,光暗条件下接种光合细菌群的生物电化学系统开路电势变化如图,3,所示,：,利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用,在黑暗条件下，光合菌群代谢乙酸钠，开路电势迅速下降，,40h,后稳定在,-0.4 V,；,黑暗条件下稳定运行,180 h,后，给予光照,( 1500 lx),，,OCP,迅速降低，说明,光照,能,提高光合细菌的还原活性,。,光合细菌在光照条件下存在有别于黑暗条件的代谢方式和电子传递路径,利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用,6.3 MFC,处理养猪废水,产电特性,产电曲线呈现,上升、平稳,和,下降,3,个阶段，刚加入废水时，微生物所需要的营养物质得以补充，电压迅速上升至最大值并稳定，出现较好的产电平台，随着废水中有机物被降解，电压逐渐,下降。,以含乙酸钠的人工废水为基质，输出,的稳定,电压约为,207 mV,；,运行两个循环后，阳极液更换为养猪废水，电池输出电压下降至,184 mV,；,可能由于养猪废水成分更加复杂，对阳极微生物的生长产生了不利冲击，导致电池输出电压下降至,161mV,，并趋于稳定,利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用,6.4,处理养猪废水,的效率,经过,1,个运行周期,(,水力停留时间为,4 d),依据,畜禽养殖业污染物排放标准,GB 18596-2001,，最高允许日均排放浓度：,COD,为,400 mg/L,、氨氮为,80 mg/L,、总磷为,8 mg/L,利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用,6.5,阴极栅藻在不同处理废水中的生长,为了考察阳极处理后养猪废水是否可用于微藻培养，本文以,OD,680,为细胞密度指标，监测了栅藻,A8,在,BG11,培养基,、,养猪废水,、,稀释,1,倍的养猪废水,及,经阳极光合菌群处理的养猪废水,中的生长情况，结果如图,5,所示,:,用处理后的养猪废水培养微藻,A8,，其光密度高于稀释后的养猪废水，仅次于对照组,BG11,培养基,；,养猪废水污染物种类多、,COD,高等因素可能是导致微藻生长缓慢的主要原因,；,养猪废水稀释后污染物浓度降低，对微藻生长的影响减弱，经过阳极处理的废水，污染物浓度降低的同时，氮、磷的残留又能满足微藻的生长,。,（,1,）,（,2,）,（,3,）,MFC,阴极微藻对无机氨氮和有机尿素有比较好的适应性，且能在高浓度氮,( 250mg,L,1,),、磷,( 64,8 mg,L,1,),条件下正常生长,；,构建的,MFC,利用养猪废水为燃料产电是可行的，该,MFC,以含乙酸钠的人工废水为基质，输出电压为,207 mV,，,以养猪废水为基质，电池稳定输出电压为,161 mV,；,构建的,MFC,能利用养猪废水产电并达到净化水质的效果,。,COD,去除率为,91.8%,，氨氮去除率为,90. 2%,，磷的去除率达,81.7%,，并具有较好的除臭性能,；,微藻,A8,能在光合细菌群处理的养猪废水中很好地生长,（,4,）,利用微生物燃料电池实现养猪废水资源化利用,7.,结论,双极室联合处理啤酒废水的微生物燃料电池,1.,哈尔滨啤酒厂废水,阳极室厌氧菌种取自哈尔滨啤酒厂,阴极室好氧菌来自实验室,SBR,内的活性污泥, MFC,基质采用啤酒废水,原啤酒废水的水质指标,如表,1,所示：,pH,COD,NH3-N,总氮,(TN),悬浮物,(SS),6.5,0.4,1250,100,16,5,24,3,500,50,表,1,实验用啤酒废水水质指标,mg/L,根据,啤酒工业污染物排放标准,GB 19821-2005,规定，啤酒生产企业水污染排放最高允许限制：,COD,为,80 mg/L,、,SS,为,70 mg/L,、氨氮为,15 mg/L,、,pH,为,69,双极室联合处理啤酒废水的微生物燃料电池,2.,微生物燃料电池装置,阳极材料：碳纤维（石墨棒）,阴极材料：碳毡,阴阳极室体积：,180cm3,双室,MFC,(,有机玻璃板,),阴极室,:,活性污泥（曝气）,负载电阻箱,阳极室：啤酒厂菌种,质子交换膜,双极室联合处理啤酒废水的微生物燃料电池,操作条件：,MFC,反应器置于,(24,4),下进行连续流操作,向原啤酒废水中加入磷酸盐缓冲液,PBS(NaH,2,PO,4,4.97 g/L+Na,2,HPO,4,2.75 g/L),由蠕动泵供给阳极室作为基质,蠕动泵流速为,13.6 mL/h,相应的阳极室水力停留时间为,7.35 h,。,阳极室的出水直接用作阴极室进水,其停留时间与阳极室相同,.,双极室联合处理啤酒废水的微生物燃料电池,3. MFC,的产电性能,研究了以原啤酒废水和加入,PBS,的啤酒废水为,MFC,基质时,MFC,的产电性能,结果见图,2.,图,2 MFC,极化曲线和功率输出曲线, 原废水的极化曲线； 原废水的功率输出曲线；, 原废水,+PBS,的极化曲线；原废水,+PBS,的功率输出曲线,加入,PBS,前,：,开路电压,0.434 V,加入,PBS,后：,0.451 V,；,极化曲线拟合得到的表观内阻分别为,334,和,116,；,加入,PBS,后电池输出功率提高,主要是由于,电池内阻减小,；,PBS,能够降低电池内阻的原因,:,(1),导电性离子的加入使整个溶液体系的离子强度增加,提高了溶液的导电性,降低了体系的,欧姆内阻,;,(2)PBS,调节系统,pH,有利于微生物的降解和产电能力,.,加入,PBS,后,电池最大输出功率为,2.89W/m,3,说明所构建的双极室联合处理废水的,MFC,产电是可行的,。,双极室联合处理啤酒废水的微生物燃料电池,4.,废水处理效果,图,3,为,MFC,在外阻为,100,条件下稳定运行一段时期后,整个,MFC,体系,COD,的变化情况,.,（水力停留时间各,7.35,小时）,图,3,废水在稳定运行时的降解过程,A,a:,阳极进水,b:,阳极出水,c:,阴极出水,B,a:,阳极室去除率,b:,阴极室去除率,c:,总去除率,双极室联合处理啤酒废水的微生物燃料电池,污染物,阳极进水,阳极出水,阳极去除率,阴极出水,阴极去除率,总去除率,COD,1313,76,610,53,47.6%,56.5%,69,9,86%,91%,92.2%,95.1%,表,2 MFC,进出水水质,mg/L,根据,啤酒工业污染物排放标准,GB 19821-2005,规定，啤酒生产企业水污染排放最高允许限制：,COD,为,80 mg/L,、,SS,为,70 mg/L,、氨氮为,15 mg/L,、,pH,为,69,pH,COD,NH3-N,总氮,(TN),悬浮物,(SS),6.5,0.4,1313,76,16,5,24,3,500,50,表,1,实验用啤酒废水水质指标,mg/L,双极室联合处理啤酒废水的微生物燃料电池,因此,所构建的双极室连续流联合处理废水的新型,MFC,对废水的处理效果要比单独阳极室的处理效果好,这是因为除了阳极室对废水的处理效果外,阴极室担当了额外的好氧处理作用,提高了出水水质,。,根据报道,阳极室不具备彻底将基质中有机物去除的能力,而将阳极室出水直接作为好氧的阴极室的底物,阴极室内生长的异养微生物可以利用氧气将基质中可生物降解的有机物进一步氧化,从而降低出水中,COD,浓度,。,双极室联合处理啤酒废水的微生物燃料电池,5.,电极电势分析,阳极电势从,-421 mV,上升到,-355 mV,提高了,66 mV;,阴极电势由,32.7 mV,降低到,-227 mV,下降了,360 mV,变化幅度是阳极的,5,倍多,；,（,1,）,（,3,）,（,2,）,（,4,）,对于阴极材料,，,氧气在未经过任何处理的无催化剂的碳毡上,，,反应能力较小,对于阴极溶液,，,由于氧气在水中的溶解度低,电极浸没于溶液中,，,使得参与反应的氧气量不,足,溶液中含有较高的,COD,也会消耗氧气,从而使电极反应能力下降,啤酒废水中可能含有的其它电子受体也会使阴极的反应速率降低,双极室联合处理啤酒废水的微生物燃料电池,实验结果表明：,阴极的极化阻力要远远高于阳极,即控制整个,电池反应速率,的因素主要在,阴极,上,，这可能与下列因素有关：,谢谢大家,的观看,2,1,7,END,68,ppt课件,