微生物电解系统生物阴极的硫酸盐还原特性研究

针对传统硫酸盐生物还原方法中供氢体系能耗大和氢气利用率低的特点,构建双极室微生物电解系统(microbial electrolysis system,MES),研究了微生物利用阴极作为电子供体去除废水中硫酸盐及电子利用的特性.外加电压为0.8 V时,MES生物阴极在36 h内SO2-4平均去除量为109.8 mg·L-1,平均还原速率可达73.2 mg·(L·d)-1.运行时MES的最高电流密度为50~60 A·m-3,电子回收率为(43.3±10.7)%,约90%的电子被用于还原SO2-4.微生物利用MES阴极产生的H2作为电子供体还原SO2-4,主要还原产物为溶解态的S2-和气态的H2S,还原过程主要发生在前12 h.对MES施加不同外加电压的实验显示,外加电压为0.8 V时的SO2-4去除率和电荷量都比0.4 V时高;但0.4 V情形下MES的电子回收率可达到70%,且周期结束时阴极H2低于检出限,推测微生物可以直接利用阴极的电子从而提高了能量效率.实验结果最终表明,微生物可利用MES的阴极进行代谢去除废水中的SO2-4,阳极微生物产生电子降低了系统能耗,这为含硫酸盐废水的高效低耗处理提供了新的研究思路.     

微生物光电还原CO2合成乙酸对外电压的响应机制

以TiO₂光阳极结合自养型生物阴极,构建双室微生物光电合成（MPES）系统,以光能作为主要的能量来源,探究MPES还原CO₂合成乙酸的性能及其限制因素.结果表明,光阳极取代纯电化学阳极显著降低了MPES生物阴极对外电压的需求.MPES能持续稳定运行,平均产乙酸速率为（1.18 ±0.11） mmol/（L·d）,法拉第效率为45.75%±3.97%.光阳极驱动阴极产生氢气,推测阴极微生物倾向于利用氢转移的方式来进行电子传递.外加电压通过影响光阳极的给电子能力从而对MPES的性能产生显著的影响,当外电压从0.4V升高至0.6V时,MPES的电流,乙酸产量和法拉第效率都显著提高,系统的性能主要受限于阳极.当外电压高于0.6V,系统电流,乙酸产量的增速减缓,法拉第效率在外加电压0.8V时达到最大值,随后下降,表明生物阴极的得电子能力已经达到饱和,此时MPES的性能主要受限于阴极.作为电子传递中间体,H₂的不完全利用是法拉第效率没有随着外电压的增加进一步提升的原因.     

高浓度苯酚的MFC降解及产电性能

以铁氰化钾溶液作为电子受体,在阴阳两极室中分别填充石墨颗粒的基础上构建了填料型微生物燃料电池(Microbial Fuel cell,MFC),研究了苯酚为单一燃料和苯酚 葡萄糖为混合燃料条件下MFC的产电特性以及对苯酚和COD的去除效果.在1OOOΩ外电阻条件下,1000mg·L-1苯酚为单一燃料运行时,MFC在苯酚去除率达到约90%时输出电压达到最大值,最大输出电压为540mV,产电曲线存在单一极大值;以1000 mg·L-1苯酚 500 mg·L-1葡萄糖为混合燃料运行时,最大输出电压可达657mV,产电曲线存在2个峰值,第1峰值和第2峰值出现时对应的苯酚去除率分别约为20%和90%.混合燃料运行条件下,前后2个产电峰值出现时MFC的最大体积(面积)功率密度分别为28.3w·m-3(342.OmW·m-2)和12.6 w·m-3(152.2mW·m-2),内阻分别为194Ω和246Ω.在2种燃料情形下,MFC对苯酚和COD的去除率均可在60h之内分别达到95%和90%以上.试验结果表明,MFC能够利用高浓度苯酚作为燃料,在实现高效降解的同时稳定地向外输出电能,这为酚类难降解有机物的高效低耗处理提供了新的研究思路.     

玉米芯草酸热裂解液在微生物燃料电池中的产电特性

考察玉米芯经草酸热裂解预处理后产生的热裂解液在单室空气型阴极微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）中的降解及产电特性。玉米芯草酸热裂解预处理的最佳条件为:反应温度160℃,反应时间90 min,草酸用量（质量分数）2%时,可产生的还原糖浓度为0.44 g/g,固体消化率约为58%。当采用稀释20倍的酸式热裂解液时,MFC最大功率密度为278 mW/m2,产电周期约为120 h。使用不同浓度玉米芯酸式热裂解液的MFC对COD去除率均可达到90.0%以上,随着稀释倍数的降低,MFC库仑效率从18.6%降低至9.72%。MFC阳极微生物群落在属水平上,典型产电细菌Geobacter属的相对丰度最高达到3.40%;Klebsiella属在使用稀释20倍酸式热裂解液下的相对丰度达到41.6%。研究结果为强化玉米芯在MFC中的有效利用提供了参考。     

类芬顿催化剂Cu-Co-Fe金属氧化物的制备及其对典型难降解有机物的去除

针对典型难生物降解污染物,为强化其在废水处理中的降解去除,开展了合成类芬顿催化剂及其对安替比林（ANT）及染料降解特性的研究。水热法合成的Cu_1-xCo_xFe₂O₄金属氧化物催化剂是一种具有尖晶石立方结构的磁性材料,比表面积为147.3~187.5 m2/g,饱和磁化值为17.2~62.3 EMU/g。随着Co含量逐渐增加,催化剂的催化活性有明显提高。所得最佳Cu_0.25Co_0.75Fe₂O₄催化剂的适用pH值为7~9,ANT初始浓度为50 mg/L,催化剂投加量为0.7 g/L和H₂O₂投加量为150 mmol/L的条件下,当反应初始pH=7时,对ANT去除率为93.1%;pH=9时去除率达到94.7%。不同类型的难降解有机物,如罗丹明B和酸性橙Ⅱ在该催化剂催化作用下也可实现有效降解。催化剂通过磁性回收再利用5次循环后,ANT去除率仍保持在80%以上,表明催化剂具有较好的稳定性和重复使用性。研究合成的类芬顿催化剂为高效去除废水中的难降解有机物提供了科学依据。     

广州市不同人群硒摄入量研究

通过酸消解、原子荧光-氢化物发生法测定了广州市市售109种常见食物中硒的含量,结合膳食结构计算了广州市不同人群的每日硒摄入量.结果表明,广州市不同食品硒含量有较大差异,均值为4.97～457.3 μg·kg-1,其中动物性食品硒含量明显高于植物性食品硒含量,硒含量较高的食品有动物内脏、鱼虾类、蛋及蛋制品、猪肉等,均大于150 μg·kg-1.广州市不同人群膳食硒摄入量有明显差别,不同收入人群的摄入量为高收入人群(102.6 μg·d-1)＞中收入人群(83.8 μg·d-1)＞低收入人群(66.6 μg·d-1);老人硒摄入量为73.3 μg·d-1,儿童为44.3 μg·d-1,大学生为86.8 μg·d-1,工人为69.7 μg·d-1;标准人摄入量为98.5 μg·d-1.动物性食品是广州居民硒摄入量的主要来源;其次是大米;蔬菜、水果和豆类及制品等植物性食品贡献很小.广州市不同人群每日硒摄入量处于良好水平.     

以苯酚为燃料的微生物燃料电池产电特性

选取城市污水处理厂的好氧和厌氧混合污泥作为接种液,构建了双极室微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC),对以葡萄糖、葡萄糖和苯酚、苯酚为不同燃料的MFC进行了有机物降解和产能效果的研究.试验结果表明,以葡萄糖为单一燃料时MFC的启动时间最短,以苯酚为单一燃料时MFC启动时间最长.MFC在不同燃料来源条件下对苯酚去除率均大于85%,COD去除率超过80%.MFC的连续运行试验结果表明,在1000Ω外电阻条件下,以葡萄糖为单一燃料的MFC运行周期最长,可达400h,最大输出电压为551mV,功率密度为 121 mW·m-2(阳极);以葡萄糖和苯酚为混合燃料的MFC运行周期约200h,最大输出电压为208mV,功率密度为 16mW·m-2(阳极);而以苯酚为单一燃料的MFC运行周期仅约为100h,最大输出电压为121mV,功率密度为 6 mW·m-2(阳极).试验结果最终表明,MFC能够利用苯酚作为燃料,在实现高效降解的同时可稳定地向外输出电能,这为酚类难降解有机物的高效低耗处理提供了新的研究思路.     

1株产电假单胞菌（Pseudomonas sp.）RE7的分离及特性研究

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阳极微生物的种类和作用机制对MFC的产电性能有着重要的影响.从已稳定运行1 a的MFC的阳极室分离得到1株电化学活性革兰氏阴性细菌——菌株RE7,其16S rRNA基因序列与Pseudomonas aeruginosa strain CMG 587有99%同源性,属于假单胞菌属（Pseudomonas sp.）.利用菌株RE7构建的MFC的稳定产电和循环伏安曲线测定结果都表明,菌株RE7具有较强的电化学活性,利用菌株RE7构建的MFC的最大输出电压为352 mV,相应的最大面积功率密度为69.2 mW/m²,体积最大功率密度为6.2 W/m³.由不同稀释比例的MFC排出液的产电效果比较可知,菌株RE7极有可能是通过自身分泌的氧化还原类物质进行电子传递.     

以吡啶和葡萄糖为燃料的MFC产电特性研究

不同类型的有机物对MFC的产电性能有不同的影响,通过构建填料型MFC,以吡啶和葡萄糖为混合燃料,以铁氰化钾为电子受体,对有机物在MFC中的降解以及产电性进行研究.结果表明,外阻为1 000Ω的条件下,MFC的最大输出电压随着葡萄糖浓度的降低而降低,当吡啶初始浓度为500 mg/L,葡萄糖浓度分别为500、250、100 mg/L时,运行周期逐渐缩短,分别为49.5、25.7、25.2 h;最大体积功率密度为48.5、36.2、15.2 W/m3,最高电压为623 mV.MFC可实现对吡啶的高效降解,24h内吡啶去除率高达95%,但葡萄糖的浓度对吡啶的降解速率影响不大;高浓度吡啶存在的条件下对MFC利用葡萄糖产电的性能影响不大.利用500 mg/L单一吡啶作为MFC的燃料时,无明显产电现象.MFC利用吡啶和葡萄糖作为混合燃料时,可以在实现吡啶降解的同时稳定地向外输出电能.     

不同阴极对微生物燃料电池产电性能的影响比较

阴极催化性能及材料对微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs)的产电特性及制造成本有很大影响。本研究选用金属铂(Pt)、活性炭作为催化剂、聚四氟乙烯(PTFE)和道康宁1-2577作为阴极的扩散层、碳布和不锈钢网作为阴极的基体材料制备得4种阴极,分别考察了相应MFC的产电性能和阴极特性。结果表明,采用传统Pt催化剂+PTFE扩散层+碳布制备成的阴极(Pt-PTC),MFC的最大输出电压为560 mV,最大功率密度为808 mW/m2,而采用活性炭+道康宁1-2577+不锈钢网制备成的阴极(AC-DCS),MFC的最大输出电压为510 mV,最大功率密度为726 mW/m2,两者的MFC产电性能极为接近。SEM结果表明,活性炭催化层表面和道康宁1-2577扩散层分别比Pt催化层及PTFE扩散层的更均匀光滑。阴极线性伏安测定结果表明,AC-DCS与Pt-PTC的电化学氧化性能较为接近。AC-DCS阴极成本仅为Pt-PTC的1/300左右,是一种低成本扩大化生产MFC阴极的新方法。