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、能源危機和環(huán)境污染是困擾21世紀人類發(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。微生物能源轉化技術是可再生能源的一種，具有將廢水中有機物蘊含的化學能轉化為可被人類直接利用的能量，因而受到了全球科學家們的廣泛重視。雖然微生物能源轉化技術一般具有底物適應性強、清潔無污染、原料成本低和效率高等優(yōu)點，但由于微生物生化轉化過程中產物抑制問題的存在使得此技術的性能和污水處理效率仍然不盡如人意。
　　

2、 針對微生物生化轉化過程產物的抑制問題，本文選取了兩種典型的微生物生化轉化技術--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的調節(jié)作用，分別構建了光合產氫-MFC耦合系統(tǒng)和雙室一單室MFC耦合系統(tǒng)。其中構建的光合產氫-MFC耦合系統(tǒng)同時實現了光合制氫、產電和廢水的連續(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；構建的雙室-單室-雙室MFC系統(tǒng)實現了下

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。本文得到的主要結論如下：
　　 1)成功構建并啟動光合產氫-MFC耦合系統(tǒng)。以葡萄糖為底物、連續(xù)流方式實現了系統(tǒng)產氫、產電。相對于獨立的光合產氫反應器和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氫-MFC耦合系統(tǒng)性能的影響。研究結果表明，光合產氫反應器和MFC最佳性能時的工況不同，使系統(tǒng)能量回收和廢水處理效率呈現出不同的特性。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。當底物濃度為6.0 g·L-1，流速為40 mL·h-1時，耦合系統(tǒng)的功率密度最大，可達到6.13×105J·m-3h-1，而當底物流速為10 mL·h-1，底物濃度為4.0 g·L-1時，耦合系統(tǒng)的能量回收效率最佳，為11.2％。
　　 2)構建的光合產氫-WCMFC耦合系統(tǒng)相對于光合產氫-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，耦合系統(tǒng)中光合產氫反應器與WCMFC最佳性能時濃度不同，當底物濃度為4.0 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，最大功率密度為6.79x105J·m-3·h-1。當底物流速為60 mL·h-1時，耦合系統(tǒng)中光合產氫反應器與WCMFC均達到最佳

6、性能。此時，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。當底物濃度為4.0 g·L-1，流速為20mL·h-1時，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時最佳，為11.73％。
　　 3)利用單室MFC的pH調節(jié)作用，將單室MFC接入雙室

7、MFC電堆中，達到連續(xù)調節(jié)雙室MFC電堆中流動的培養(yǎng)基pH的目的，當在雙室MFC的上游接入單室MFC時，由于單室MFC對底物pH的調節(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的調節(jié)作用，被DSD系統(tǒng)中D1電池利用后的酸性底物在進入D2電池前被調節(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)，由于進入D2的酸性底物pH沒有調節(jié)，因此D2電池僅