基于单室微生物燃料电池耦合的微生物燃料电池堆和产氢反应器性能强化

发布时间：2018-10-29 11:40

【摘要】：能源问题和环境问题是21世纪制约着人类的生存和社会的可持续发展的两大难题。随着经济的高速发展，环境问题尤其是水体污染日益突出，环境保护问题越来越受到全社会的高度重视。同时传统污水处理行业一直具有“高投入、零产出”的特点。因此，为保证人类的可持续发展，，寻求清洁新能源和新的污水处理工艺是当务之急。在此背景之下，微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）作为一种新型生物能源技术应运而生。MFC是一种利用产电菌作为阳极催化剂，直接将废水中的有机物转化为电能的装置。由于其在处理废水的同时产生电能这一独特优势，最有希望作为一种可以产生效益的废水处理技术，因而受到了国内外研究者的广泛关注。 目前而言，MFC性能还较低，其单电池正常工作电压仅为0.5V左右，电流也仅为十几mA左右，尚不能满足实际应用需求。本文结合单、双室电池各自的优点，构建了基于单双室MFC耦合的串/并联电堆，研究了串/并联电堆单元和电堆在不同运行方式下的性能特性。研究中发现串联电堆中子电池反极是电堆性能提升的限制性因素。针对以上现象，本文又对串联电堆子电池发生反极现象的原因进行了研究并提出了改善措施。同时，本文研究发现单室MFC在MFC电堆中具有独特的pH调节作用，能显著提高下游子电池的性能，从而提升整个电堆的性能。基于这一独特优势，文中还将空气阴极单室电堆与到光合产氢反应器（Photosythenic bioreactor，PBR）进行耦合，利用单室MFC的pH调节功能，调节上游产氢反应器废液的pH后通入下游产氢反应器中，促使整个反应器系统产氢性能和有机物降解性能的提升。本文的主要研究成果如下： （1）基于单双室耦合的MFC串/并联堆性能特性研究 结合单室与双室MFC单电池，构建了基于单双室耦合的MFC电堆单元，并以电堆单元构建MFC电堆，研究了电堆单元和电堆的性能特性。结果表明：双室-双室MFC电堆单元在续批运行过程中出现了严重的底物酸化，限制了下游MFC性能；双室-单室MFC电堆单元在续批运行中底物pH保持中性，电压平台能维持较长时间；双室-单室MFC电堆单元在电路串联及并联条件下，均优于双室-双室MFC电堆单元和单室-单室MFC电堆单元；双室-单室电堆单元的pH调节作用主要是由于有机酸在单室MFC的阴极生物膜与空气中氧气发生生物化学反应产生水，消除了双室MFC堆积的氢离子产物所致。本文还使用双室-单室MFC电堆单元构建了水路串联电路串连的由四个MFC组成的电池堆（电堆DSDS），并对电堆在连续流和序批运行方式下的性能进行了测试，结果表明：电堆DSDS在续批运行过程中底物pH保持中性；前后电堆单元电压输出较为一致，使得电堆反极推迟，并能维持较长的电压平台；由于反极的推迟使得电堆获得了较高的底物去除率和有效库伦效率。 （2）串联电堆子电池发生反极现象的原因及改善措施研究 针对串联电堆中存在的子电池电压反极现象，构建了MFC电堆，对MFC电堆性能和单电池性能特性进行了研究，分析了子电池产生反极的原因并提出了相应的改善措施。研究结果表明：对于水路独立、电路串联的MFC电池堆，MFC单电池的最大输出电流决定了电堆的最大输出电流；电堆中输出电流最小的MFC会首先发生反极；在发生反极时，反极MFC的阳极电位骤升，同时伴随氧气的产生；由于低电阻下启动的MFC单电池能产生能产生更大的电流，因此由此构建的电堆可获得更大的输出电流和最大功率密度。过高的阳极电位会使阳极产生氧气；由于低电阻下启动的MFC具备更利于传质的生物膜，使用低电阻启动的MFC构建电堆可以使得电堆的最大输出电流及功率得到提升。 （3）空气阴极电堆与PBR耦合系统性能特性研究 由于单室MFC具有调节底物pH的特性，考虑到多级串联PBR同样存在底物酸化问题，本文进一步构建了单室MFC电池堆，并将其应用于多级串联PBR系统，构建了PBR-MFCs-PBR耦合系统。结果表明：通过使用同种菌种接种启动PBR和MFC电堆，可使系统在连续流条件下实现多级PBR入口底物pH的不间断调节，而不会造成菌种污染；SMFC电堆的调节作用使得系统整体性能得到显著提升，相比于PBR直接串连的PBR-PBR系统，PBR-SMFC-PBR耦合系统的产氢速率和底物利用效率分别提升了28.1%和29.2%；第一级PBR出口液经单室MFC电堆的处理后，其中乳酸、甲酸及丁酸等有机酸代谢产物被有效去除，使得下游PBR的底物抑制问题得到缓解。此外，通过单室MFC电堆的处理，PBR培养基pH值由5.65±0.01提升到6.8±0.10，使得下游PBR的底物酸化问题得到消除。
[Abstract]:Energy and environmental issues are two big challenges that restrict human survival and sustainable development in the 21st century. With the rapid development of economy, environmental problems, especially water pollution, are becoming more and more serious, and environmental protection is more and more highly valued by the whole society. At the same time, the traditional sewage treatment industry has the characteristics of 鈥淗igh input, zero output鈥

本文编号：2297587