木醋液对微生物燃料电池产电特性及微生物群落的影响

发布时间：2020-04-01 04:37

【摘要】：微生物燃料电池技术(Microbial fuel cell,MFC)是以微生物为催化剂将有机废弃物降解并将其中的化学能转化为电能的装置。在MFC技术中,阳极微生物群落是决定反应器性能的核心要素,研究期望通过木醋液添加改善MFC阳极微生物群落,进而促进反应器产电性能及底物降解性能,对理解木醋液在MFC中降解效果及产电机制有一定理论意义,能够为后续木醋液作为一种MFC促进剂提供理论支持。首先进行了单室型空气阴极MFC与双室型空气阴极MFC的产电对比研究,结果表明双室型空气阴极MFC的产电效果较好,因此以其作为后续的实验装置。采用双室型MFC反应器,对不同浓度木醋液用作MFC底物时的产电效果,底物降解效果及其对MFC阳极产电微生物的影响进行研究。(1)研究了不同浓度木醋液的产电效果,发现P1-MFC组(1 g/L COD浓度的木醋液)的产电效果最佳,电流密度始终在1.0~1.2 A/m~2间,最大功率密度为0.377 W/m~2,库伦效率为15.04%;P3-MFC(3 g/L COD浓度的木醋液)组产电效果最差,电流密度一直呈下降状态,电流密度最低达到0.174 A/m~2,最大功率密度为0.037 W/m~2,库伦效率为19.27%。通过电化学分析发现,P1-MFC组产电效果的优化是通过提高反应器氧化还原反应活性,降低反应阻力实现的。(2)研究了各组底物在MFC中的降解效果,考察了各组底物的COD去除率、有机酸降解和总酚类降解情况。B-MFC组的COD去除率最高,但其库伦效率却并非最高,说明木醋液添加能去除冗余富集产电优势菌群。通过对各组中乙酸的降解研究,发现木醋液中某些成分能被降解为乙酸进而被用于产电,且产电效果最好的P1-MFC组的乙酸浓度上升点较靠前,该组木醋液中能被降解为乙酸的成分先于其他组被降解利用,使得该组的产电效果较好。三个木醋液添加组的总酚类降解率依次为P1-MFC(83.95%)、P2-MFC(81.11%)、P3-MFC(57.65%),产电效果越好的反应器总酚类去除率也越高,随着木醋液底物添加浓度的升高MFC的总酚类去除率有所降低。(3)研究了不同浓度木醋液对MFC阳极产电微生物的影响,由阳极电镜照片观察发现,各木醋液添加组中P1-MFC阳极菌群中非杆菌菌少于B-MFC组,说明1 g/L COD浓度的木醋液添加能够促进阳极产电微生物生长;而3 g/L COD浓度的木醋液大量杀死了阳极表面微生物,进而降低反应器的COD去除率。1 g/L与2 g/L COD浓度的木醋液添加均提高了变形菌门(Proteobacteria),δ变形菌纲(Deltaproteobacteria)的Geobacter的相对丰度,但2 g/L COD浓度的木醋液添加组阳极表面较低的菌群附着密度限制了该组产电效能的的提升。1 g/L COD浓度的木醋液底物能够促进阳极微生物群落生长,提高阳极Geobacter的相对丰度,进而提高反应器氧化还原反应活性,降低了反应阻力,提升反应器的产电效果与底物降解效果,提升反应器性能。2 g/L与3 g/L COD浓度的木醋液底物均降低了阳极表面的菌群密度,使反应器性能有所降低。
【图文】：

原理图,产电,双室,木醋液

木醋液作为 MFC 底物时对 MFC 底物，扩展了 MFC 的底物利用范究不同木醋液底物浓度的产电效，进而优化木醋液为底物的 MFC极微生物群落结构，揭示木醋液对种促进剂用于 MFC 中提供理论支法提供了数据支撑。研究现状产电过程电原理从本质上理解仍是氧化还微生物的催化作用下完成的。如

木醋液对微生物燃料电池产电特性及微生物群落的影响会透过阴极进入阳极室抑制阳极厌氧微生物生长，同时阴极上附着的好极厌氧产电微生物形成竞争关系，降低反应器库伦效率。形态上双室型 MFC 又分为 H 型 MFC 与方形 MFC，H 型 MFC 与方形 1-2 所示。通常 H 型 MFC 的阴、阳极距离较远，，且离子交换膜面积较 MFC 的功率密度较小，但此型反应器操作简便且运行稳定常被用于基本物利用、新型电极材料实验等基础研究中（Yates et al. 2012；Zhang et al H 型 MFC，方形 MFC 的阴阳极间距较小且其离子交换膜与电极的投影方形 MFC 能产生较高的功率。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.45

【参考文献】