单室空气阴极微生物燃料电池硝酸根去除系统的建立和性能研究

本文以单室空气阴极微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)处理含不同浓度硝酸根的模拟废水,研究了NO~-_3-N初始浓度和开闭路培养方式对单室MFC的启动、硝酸根去除性能和产电性能的影响.结果表明,随着NO~-_3-N初始浓度的提高,MFC的NO~-_3-N平均去除速率达到稳定值所需时间增加,NO~-_3-N平均去除速率提高.当NO~-_3-N初始浓度为200 mg·L~(-1)时,闭路组MFC的NO~-_3-N平均去除速率达到(3.52±0.28) kg·m~(-3)·d~(-1),高于相近条件下许多传统生物反应器的NO~-_3-N平均去除速率.硝酸根去除过程主要发生在MFC运行周期的前期.硝酸根对阳极生物膜中主要产电菌Geobacter的生物量没有影响.当基质充足时,所有闭路组MFC的最大功率密度相近(～27 W·m~(-3)).闭路组MFC比开路组MFC具有更高的NO~-_3-N去除速率,可能与其阳极生物膜具有电化学还原亚硝酸根能力和Thauera易在其阳极上富集有关.     

Effect of air-exposed biocathode on the performance of a Thauera-dominated membraneless single-chamber microbial fuel cell (SCMFC)

To investigate the effect of air-exposed biocathode(AEB) on the performance of singlechamber microbial fuel cell(SCMFC), wastewater quality, bioelectrochemical characteristics and the electrode biofilms were researched. It was demonstrated that exposing the biocathode to air was beneficial to nitrogen removal and current generation. In Test 1 of 95%AEB, removal rates of ammonia, total nitrogen(TN) and chemical oxygen demand(COD)reached 99.34% ± 0.11%, 99.34% ± 0.10% and 90.79% ± 0.12%, respectively. The nitrogen removal loading rates were 36.38 g N/m~3/day. Meanwhile, current density and power density obtained at 0.7 A/m3 and 104 m W/m~3 respectively. Further experiments on opencircuit(Test 2) and carbon source(Test 3) indicated that this high performance could be attributed to simultaneous biological nitrification/denitrification and aerobic denitrification, as well as bioelectrochemical denitrification. Results of community analysis demonstrated that both microbial community structures on the surface of the cathode and in the liquid of the chamber were different. The percentage of Thauera, identified as denitrifying bacteria, maintained at a high level of over 50% in water, but decreased gradually in the AEB. Moreover, the genus Nitrosomonas, Alishewanella, Arcobacter and Rheinheimera were significantly enriched in the AEB, which might contribute to both enhancement of nitrogen removal and electricity generation.     

湿地植物-沉积物微生物燃料电池阳极微生物群落多样性研究

阳极微生物种类及群落结构都会对微生物燃料电池的产电及底泥修复效果产生显著影响,因此,对微生物燃料电池阳极微生物群落多样性进行研究分析显得尤为重要.本研究利用风车草(Clinopodium Urticifolium)或短叶茳芏(Cyperus Malaccensis)两种植物结合受污染河涌底泥构建了湿地植物-沉积物微生物燃料电池(P-SMFC),同时构建无植物的沉积物微生物燃料电池(SMFC)作为对照,共3个电极处理组,每组3个平行.系统运行7个月后,分析其产电特性,并利用高通量测序对3个电极处理组生物膜微生物群落多样性进行分析,以探讨P-SMFC产电特性、阳极生物膜群落多样性及不同处理组之间群落结构的差异.结果表明,3个处理组中微生物群落结构存在明显差异,风车草和短叶茳芏两种植物的引入均会对微生物燃料电池系统中的细菌及古菌群落结构产生影响.植物的存在一方面有助于阳极生物膜各类细菌及古菌的生长,另一方面植物也有助于产电系统中阳极生物膜细菌及古菌群落多样性的增加,且风车草相比短叶茳芏而言,更能增加系统的古菌群落的多样性.在细菌群落分析中,3个处理组中都以变形菌门Proteobacteria为优势菌群,其次为绿弯菌门Chloroflexi,在所有菌属中以土杆菌属Geobacter的相对丰度最高,分别为PSM1处理组11.50%、SM处理组14.33%、PSM2处理组8.53%,为其优势菌属,但P-SMFC中该菌属的丰度相对较低.在古菌群落分析中,3个处理组中都以广古菌门Euryarchaeota的相对丰度最高,分别为PSM1处理组79.83%、SM处理组80.20%、PSM2处理组81.67%,成为优势菌门,其中以甲烷八叠球菌目Methanosarcinales的Methanosaeta属、甲烷杆菌目Methanobacteriales的Candidatus Methanoregula属的相对丰度最高,为其优势菌属.且Methanosaeta的相对丰度分别达到PSM1处理组21.43%、SM处理组25.00%、PSM2处理组23.16%,P-SMFC处理组的丰度相对较低;Candidatus Methanoregula的相对丰度分别为PSM1处理组13.05%、SM处理组11.73%、PSM2处理组16.02%,P-SMFC处理组的丰度相对较高.     

Performance evaluation of microbial fuel cell for landfill leachate treatment: Research updates and synergistic effects of hybrid systems

Over half of century, sanitary landfill was and is still the most economical treatment strategy for solid waste disposal, but the environmental risks associated with the leachate have brought attention of scientists for its proper treatment to avoid surface and ground water deterioration. Most of the treatment technologies are energy-negative and cost intensive processes, which are unable to meet current environmental regulations. There are continuous demands of alternatives concomitant with pos...     

植物微生物燃料电池修复Cr(Ⅵ)污染湿地土壤及机理研究

本研究通过引入沼生植物香蒲构建植物微生物燃料电池系统(P-MFC)修复Cr(VI)污染湿地土壤,考察了植物、不同初始Cr(VI)浓度对系统产电及去除效率的影响.结果显示,香蒲种植能显著提高P-MFC运行性能,系统最大功率密度与Cr(VI)去除率分别提高至23.83 mW·m~(-2)、33.01%,随着Cr(VI)暴露浓度的升高,系统运行性能降低.利用P-MFC修复Cr(VI)污染土壤过程中,电化学还原作用是Cr(VI)去除的主要机制,近90%的Cr(VI)通过电化学还原去除,系统中0.3%～1.86%的Cr(VI)被香蒲吸收富集,3.5%～9.5%的Cr(VI)被微生物与还原性有机物直接还原.通过高通量测序技术分析发现,香蒲种植与低浓度Cr(VI)暴露下阳极微生物群落多样性较大,优势门类Proteobacteria相对丰度最高为63.9%,较未种植香蒲与高浓度Cr(VI)暴露条件下提高了3.4%～19.0%,电化学活性微生物Geobacter相对丰度最高为12.4%,较未种植香蒲与高浓度Cr(VI)暴露条件下提高了4.4%～6.8%.系统中对Cr(VI)具有较强耐受性与还原能力的Acinetobacter、Bacillus占有较大比例,且相对丰度随暴露浓度升高而增大,最高分别为19.0%、14.4%,进一步说明微生物群落在Cr(VI)去除上发挥了一定作用.上述结果表明,P-MFC在去除湿地土壤Cr(VI)污染方面具有良好的潜力.     

桉树叶提取液还原石墨烯电极提高微生物燃料电池产电性能的研究

将桉树叶提取液绿色还原氧化石墨烯(G-rGO)电极和微生物还原氧化石墨烯(B-rGO)电极依次作为微生物燃料电池(MFC)阳极,采用红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对所制备的电极进行表征,并采用循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)对比2种电极的电化学性能.结果发现,G-rGO阳极的内阻为243.87Ω,应用于MFC时最大功率密度和最大输出电压分别为18.77 W·m~(-3)和760 mV,对照组B-rGO电极的内阻为299.11Ω,将其应用于MFC时最大功率密度和最大输出电压分别为13.16 W·m~(-3)和635 mV,对照组未修饰阳极的内阻为375.21Ω,最大功率密度和最大输出电压分别为8.97 W·m~(-3)和480 mV.研究表明,G-rGO电极电阻更小,导电性能更优越.     

盐度对MFC产电及其微生物群落的影响

本文研究了模拟废水中不同盐度对微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)性能的影响.当向MFC中依次添加0,20,40,60,70g/L NaCl时,MFC的最大输出电压从660mV下降到130mV,库仑效率也从67%下降到4%.如果向MFC中直接添加40g/L和70g/L NaCl并运行两个周期后,MFC无电能输出,然而,停止添加NaCl(盐度解除)后MFC产电性能能够在60h内恢复.此外,当盐度高于40g/L NaCl时,阳极微生物群落发生明显的变化.研究结果可为MFC或其他生物反应器处理盐度废水提供一定的依据.     

微生物隔膜在生物阴极MFC中的应用及效能评价

本文构建了2.0L具有微生物隔膜的模块化生物阴极微生物燃料电池(MFC),以实际生活污水为底物,在连续流运行模式中,系统考察了微生物隔膜(MS)在MFC长期运行过程中的功能特征.结果表明:发育成熟的微生物隔膜可以稳定维持MFC阴阳极室间的溶解氧(DO)浓度梯度,使阳极室平均DO浓度低于0.5mg/L,同时使完全混合的阴...     

两种接种源微生物燃料电池同步降解刚果红与产电性能研究

分别以印染废水污泥和生活污水污泥接种微生物燃料电池(MFC-I和MFC-M),以刚果红为模型染料,研究了接种源对MFC同步脱色偶氮染料和产电性能的影响.结果表明,接种源对MFC同步降解刚果红与产电性能影响显著.产电方面,MFC-I的启动电压高于MFC-M,但稳定运行后二者最大输出电压差别不大.稳定运行阶段,MFC-M最大功率密度达到29.09 mW·m-2,比MFC-I高2.11倍;阳极极化阻抗(R ct)为748.9Ω,比MFC-I低38.0%.脱色方面,MFC-I对刚果红的脱色速率比MFC-M高14.4%~20.3%;但脱色产物一样,均为2-氨基—1,4-萘醌、2,2'-二氨基联苯、4,4'-二氨基联苯.经分离、纯化和鉴定,二者阳极均存在优势菌Pseudomonas sp.,但MFC-M阳极还存在优势菌Bacillus sp.,而MFC-I的阳极还存在优势菌Aquamicrobium sp..     

不同阳极设置对人工湿地-微生物燃料电池脱氮及产能的影响

人工湿地-微生物燃料电池（constructed wetland-microbial fuel cell, CW-MFC）耦合系统是人工湿地和生物电化学技术的有机结合,其中阳极是限制耦合系统输出功率和污染物净化性能的关键因素。构建了未加入颗粒活性炭（CW-MFC1）和加入颗粒活性炭（CW-MFC2）2套耦合系统以探讨阳极加入颗粒活性炭对耦合系统产电和脱氮性能的影响,并利用高通量测序技术对比分析2套系统阳极和阴极微生物群落组成。结果表明：CW-MFC2耦合系统的输出电压和最大功率密度（430 mV,8.39 mW/m²）高于CW-MFC1（379 mV,7.77 mW/m²）。试验运行前期（0 ~29 d）,CW-MFC2耦合系统的氨氮去除率为65.72%±3.06%,显著高于CW-MFC1（56.06%±3.71%）,而二者的总氮去除率相差不大;随着时间的推移（30 ~105 d）,CW-MFC1耦合系统的氨氮和总氮去除率逐渐高于CW-MFC2,尤其是总氮去除更为显著（CW-MFC1为42.69%±4.19%,CW-MFC2为32.50%±11.51%）。高通量测序结果表明,CW-MFC1阳极富集的不动杆菌属以及阴极大量的反硝化菌（巨大芽殖杆菌属、地杆菌属、黄杆菌属、不动杆菌属和脱氯单胞菌属等）的富集可能是其脱氮性能优于CW-MFC2的主要原因。综上,阳极加入颗粒活性炭可提升CW-MFC耦合系统的产电性能,但不利于生物脱氮过程。

     

铁酸锰活性炭阴极催化剂的制备与对微生物燃料电池产电性能的影响

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阴极的氧化还原反应能力对MFC的产电性能起着至关重要的作用,因此,本研究制备了铁酸锰/活性炭(MnFe₂O₄/AC)并对其进行材料学表征,研究其作为MFC空气阴极催化剂时产电和污水处理效果.研究表明,MnFe₂O₄和AC物质的量比为1:3时MFC电功率密度最高,达302.7mW/m².在峰值电压附近维持时间长达200h,维持时间是传统Pt/C催化剂MFC的4倍,库伦效率达到17.45%.在催化剂重复利用实验中发现,在相同的运行时间内,采用Pt/C催化剂的MFC电压下降明显,而采用MnFe₂O₄/AC催化剂的MFC电压基本保持稳定,证明了MnFe₂O₄/AC催化剂良好的循环稳定性.污水处理效果方面,MnFe₂O₄和AC物质的量比为1:3时处理效果最好,COD去除率达74.66%.因此,MnFe₂O₄/AC催化剂制备简单、价格低廉、电化学性能稳定,在提高MFC产电持久性方面具有实际意义.     

外阻对三室MFC产电性能和Cu迁移特性的影响

构建一种新型的三室微生物燃料电池（microbial fuel cells,MFCs）对重金属Cu污染的土壤进行修复,研究不同外阻条件下MFC的产电性能和土壤中Cu的迁移去除情况.结果表明,当外接电阻从100Ω增大到1000Ω时,三室MFC的输出电压从0.1V提高到0.4V,最大功率密度从1.10W/m³降低到0.71W/m³,且阴极极化现象也随外阻增大而更加显著.装置运行63d后,MFC外接电阻越大,近阳极土壤区的Cu的去除率越高,外阻为1000Ω的MFC近阳极土壤区的Cu去除率达到39.7%.通过改进欧共体标准（BCR）连续提取法分析重金属的形态,发现乙酸可提取态和可还原态为Cu迁移的两种主要形态.此外,土壤的性质也发生变化,pH值呈现由阳极到阴极逐渐升高的趋势,而电导率则相反.阴极电极的扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）结果也表明部分迁移到阴极的Cu（Ⅱ）被还原成单质Cu.     

CaO2促进MFC同步处理剩余污泥和六价铬废水的效能

为了提高剩余污泥降解效能和废水中六价铬还原效能,研究了CaO₂对微生物燃料电池同步处理剩余污泥和六价铬废水的影响,考察了不同CaO₂投加量下微生物燃料电池阳极剩余污泥的降解效能、阴极六价铬的还原效能及产电效能.结果表明,当阳极室CaO₂投加量分别为0,0.1,0.2,0.4,0.6,0.8gCaO₂/gVSS时,运行120h后,阴极六价铬还原率分别为73.38%,78.91%,99.47%,97.70%,97.04%,96.37%,运行30d后,阳极剩余污泥TCOD降解率分别为72.4%,76.9%,81.0%,78.2%,75.7%,74.2%.证明投加CaO₂后,六价铬还原率和TCOD降解率都有提高.当投加量为0.2gCaO₂/gVSS时处理效能最好,输出电压最大为1.15V.六价铬还原率提高了36.08%,TCOD降解率提高了11.88%.此外,投加CaO₂后微生物燃料电池电化学活性有所提高,表明CaO₂投加对电池电子传递过程有促进作用.结果说明CaO₂有利于提高对微生物燃料电池同步处理剩余污泥和六价铬废水效能.     

Influence of Chironomid Larvae on oxygen and nitrogen fluxes across the sediment-water interface (Lake Taihu, China)

The microscale distribution of oxygen,the nitrogen flux and the denitrification rates in sediment inhabited by chironomid larvae(Tanypus chinensis) were measured in eutrophic Lake Taihu,China.The presence of the chironomids in the sediment increased the oxygen diffusional flux from 10.4 ± 1.4 to 12.7 ± 2.5 mmol O 2 /(m 2 ·day).The burrows of the larvae represented "hot spots" and strongly influenced the nitrogen cycles and diagenetic activity in the sediment.The results indicate that the bioturbation effects of Tanypus chinensis chironomid larvae increased the capacity of the sediment as a sink for nitrate and a source for ammonium.Nitrate influx and ammonium outflux were increased 8.8 and 1.7 times,respectively.Under bioturbation,the amount of nitrate consumed was greater than the amount of ammonium released.The total denitrification rate was also enhanced from 0.76 ± 0.34 to 5.50 ± 1.30 mmol N/(m 2 ·day).The net effect was that the bioturbated sediments acted as a net sink for inorganic nitrogen under direct and indirect bioturbation effects compared to the control.