沼液微生物燃料电池的产电及有机物降解特性研究
发布时间：2021-06-06 23:03
为了使发酵沼液得到减量化、无害化处理及能源化利用,该研究构建了以玉米秸秆发酵沼液为阳极底物的双室微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）。通过对比不同浓度沼液MFC产电特性、化学需氧量（chemical oxygen demand,COD）去除率及库伦效率等探究MFC对玉米秸秆沼液的降解效果及其能量回收效率。结果表明,玉米秸秆沼液MFC能够正常启动,并且能够长时间运行产生电流。当初始COD质量浓度为（3618.6±55.6）mg/L时,其最大功率密度为203.4 mW/m2,COD去除率可达63%;并随着沼液中有机物浓度降低,MFC运行稳定性下降,最大输出功率密度成线性降低。通过对原料及阳极溶液和阳极生物膜菌群结构分析可知,以玉米秸秆发酵沼液为阳极底物的MFC菌群结构合理,MFC可以利用沼液中的水解细菌分解阳极溶液中的纤维素等大分子物质,主要以Clostridia、Flavobacteria和Bacteroidia菌纲为主;同时阳极生物膜可以富集接种物中的产电细菌,分解小分子有机物产生电能,2类微生物可以互利共生,避免了沼液MFC的高浓度抑制。该研究表明,MFC...
【文章来源】：农业工程学报. 2019,35(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同浓度沼液MFC启动阶段的电压随时间变化Fig.1StartvoltageoutputofMFCswithdifferentconcentration
农业工程学报（http://www.tcsae.org）2019年20894℃30s，45℃20s，65℃30s进行5个循环；94℃20s，55℃20s，72℃30s进行20个循环；72℃5min。第2轮扩增引入Illumina桥式PCR兼容引物，其反应条件为95℃30s；95℃15s，55℃15s，72℃30s进行5个循环；72℃5min。在25μLPCR产物中加入体积6/10的磁珠（AgencourtAMPureXP，Beckman，美国）进行纯化，并利用Qubit2.0DNA检测试剂盒（Life，美国）对回收纯化后DNA精确定量，以方便按照1:1的等量混合后测序。最后将纯化混合后样品置于IlluminaMiSeq平台进行测序，最后利用Prinseq等软件和RDP数据库（http://rdp.cme.msu.edu/misc/resources.jsp）、Silva数据库（http://www.arb-silva.de/）等分析所得测序原始数据。2结果与分析2.1不同COD浓度沼液对MFC性能影响规律研究2.1.1不同浓度沼液MFC产电规律在MFC系统稳定运行之前，需要经过启动的过程，这一阶段，是阳极底物中微生物群落在电池阳极定向选择与富集的过程，启动阶段的电压如图1所示。在MFC未正常启动时，其输出电压在一定时间范围内，保持较低水平。在接种运行75h后，以原沼液和稀释2倍沼液为阳极底物的MFC的输出电压开始稳步上升，在运行125h后，其输出电压达到最大，随后稍有降低后，保持基本稳定，分别为(302±29)、(232±18)mV。以稀释4倍沼液为阳极底物的MFC，在接种运行100h左右，其输出电压开始逐渐上升，大约在运行125h后其输出电压达到最大并保持稳定，为(112±10)mV。而以稀释8
第9期王芳等：沼液微生物燃料电池的产电及有机物降解特性研究209a.功率密度曲线a.Curvesofpowerdensityb.极化曲线b.Curvesofpolarization图3不同浓度沼液MFC功率密度曲线和极化曲线Fig.3PowerdensityandpolarizationcurvesofMFCswithdifferentconcentrationbiogasslurry图4玉米秸秆沼液浓度与最大功率密度的关系Fig.4Relationshipbetweenbiogasslurryconcentrationsandmaximumpowerdensity表2不同浓度沼液MFC极化曲线线性拟合结果Table2PolarizationcurvefittingresultsofMFCswithdifferentconcentrationbiogasslurry样品SamplesCOD质量浓度CODconcentration/(mg·L-1)拟合直线Fittingline内阻Internalresistance/ΩR2原沼液Originalbiogasslurry3618±56y=-0.6528x+749.772610.907稀释2倍Diluteddouble1809±28y=-1.7261x+655.706900.995稀释4倍Dilutedfourfold905±14y=-3.1974x+680.4212790.995稀释8倍Dilutedeightfold452±7y=-4.5551x+264.6218220.880注：x与y分别代表电流密度与电压值。Note:xandyrefertothecurrentdensityandvoltage,respectively.MFC，其内阻为53～150Ω，致使本试验所得功率密度略低于该研究。但本研究MFC内阻要远低于曹琳等[21]报道的以牛粪发酵沼液为阳极底物的单室无膜空气阴极MFC，其最大功率密度为10.98mW/m2，远低于本研究。2.1.2不同浓度沼液MFC有机物降解规律与库伦效率从不同浓度沼液MFCCOD去除率及库伦效率变化情况（表3）看，COD去除率随着稀释倍数的增加而减小，除稀释8倍沼液外，CE随着稀释倍数的增加而逐渐增加，其原因为，从外电路电压输出情况看，以稀释8倍沼液
【参考文献】：
期刊论文
[1]与生猪产业发展联动的中国沼气工程建设现状分析[J]. 胡启春,汤晓玉,宁睿婷,李谦. 农业工程学报. 2015(08)
[2]以沼液为原料的微生物燃料电池产电降解特性[J]. 曹琳,雍晓雨,周俊,王舒雅,雍阳春,孙永明,陈怡露,郑涛. 化工学报. 2014(05)
[3]单室无膜空气阴极微生物燃料电池处理沼液的研究[J]. 冯雅丽,毕耜超,李浩然,杨志超,王维大,王鹏. 高校化学工程学报. 2013(05)
[4]稳恒磁场作用下微生物燃料电池的产电特性和电化学阻抗谱分析[J]. 殷瑶,周枫,唐波,叶菲菲,李辰晨,刘勇弟,黄光团. 环境工程学报. 2012(11)
[5]畜禽养殖废弃物沼液的浓缩及其成分[J]. 宋成芳,单胜道,张妙仙,文先红. 农业工程学报. 2011(12)
[6]微生物燃料电池影响因素及作用机理探讨[J]. 詹亚力,王琴,张佩佩,闫光绪,郭绍辉. 高等学校化学学报. 2008(01)
[7]微生物燃料电池表观内阻的构成和测量[J]. 梁鹏,范明志,曹效鑫,黄霞,王诚. 环境科学. 2007(08)
硕士论文
[1]以谷壳及剩余污泥为底物的微生物燃料电池性能研究[D]. 屈原津.哈尔滨工程大学 2013
本文编号：3215320
【文章来源】：农业工程学报. 2019,35(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同浓度沼液MFC启动阶段的电压随时间变化Fig.1StartvoltageoutputofMFCswithdifferentconcentration
农业工程学报（http://www.tcsae.org）2019年20894℃30s，45℃20s，65℃30s进行5个循环；94℃20s，55℃20s，72℃30s进行20个循环；72℃5min。第2轮扩增引入Illumina桥式PCR兼容引物，其反应条件为95℃30s；95℃15s，55℃15s，72℃30s进行5个循环；72℃5min。在25μLPCR产物中加入体积6/10的磁珠（AgencourtAMPureXP，Beckman，美国）进行纯化，并利用Qubit2.0DNA检测试剂盒（Life，美国）对回收纯化后DNA精确定量，以方便按照1:1的等量混合后测序。最后将纯化混合后样品置于IlluminaMiSeq平台进行测序，最后利用Prinseq等软件和RDP数据库（http://rdp.cme.msu.edu/misc/resources.jsp）、Silva数据库（http://www.arb-silva.de/）等分析所得测序原始数据。2结果与分析2.1不同COD浓度沼液对MFC性能影响规律研究2.1.1不同浓度沼液MFC产电规律在MFC系统稳定运行之前，需要经过启动的过程，这一阶段，是阳极底物中微生物群落在电池阳极定向选择与富集的过程，启动阶段的电压如图1所示。在MFC未正常启动时，其输出电压在一定时间范围内，保持较低水平。在接种运行75h后，以原沼液和稀释2倍沼液为阳极底物的MFC的输出电压开始稳步上升，在运行125h后，其输出电压达到最大，随后稍有降低后，保持基本稳定，分别为(302±29)、(232±18)mV。以稀释4倍沼液为阳极底物的MFC，在接种运行100h左右，其输出电压开始逐渐上升，大约在运行125h后其输出电压达到最大并保持稳定，为(112±10)mV。而以稀释8
第9期王芳等：沼液微生物燃料电池的产电及有机物降解特性研究209a.功率密度曲线a.Curvesofpowerdensityb.极化曲线b.Curvesofpolarization图3不同浓度沼液MFC功率密度曲线和极化曲线Fig.3PowerdensityandpolarizationcurvesofMFCswithdifferentconcentrationbiogasslurry图4玉米秸秆沼液浓度与最大功率密度的关系Fig.4Relationshipbetweenbiogasslurryconcentrationsandmaximumpowerdensity表2不同浓度沼液MFC极化曲线线性拟合结果Table2PolarizationcurvefittingresultsofMFCswithdifferentconcentrationbiogasslurry样品SamplesCOD质量浓度CODconcentration/(mg·L-1)拟合直线Fittingline内阻Internalresistance/ΩR2原沼液Originalbiogasslurry3618±56y=-0.6528x+749.772610.907稀释2倍Diluteddouble1809±28y=-1.7261x+655.706900.995稀释4倍Dilutedfourfold905±14y=-3.1974x+680.4212790.995稀释8倍Dilutedeightfold452±7y=-4.5551x+264.6218220.880注：x与y分别代表电流密度与电压值。Note:xandyrefertothecurrentdensityandvoltage,respectively.MFC，其内阻为53～150Ω，致使本试验所得功率密度略低于该研究。但本研究MFC内阻要远低于曹琳等[21]报道的以牛粪发酵沼液为阳极底物的单室无膜空气阴极MFC，其最大功率密度为10.98mW/m2，远低于本研究。2.1.2不同浓度沼液MFC有机物降解规律与库伦效率从不同浓度沼液MFCCOD去除率及库伦效率变化情况（表3）看，COD去除率随着稀释倍数的增加而减小，除稀释8倍沼液外，CE随着稀释倍数的增加而逐渐增加，其原因为，从外电路电压输出情况看，以稀释8倍沼液
【参考文献】：
期刊论文
[1]与生猪产业发展联动的中国沼气工程建设现状分析[J]. 胡启春,汤晓玉,宁睿婷,李谦. 农业工程学报. 2015(08)
[2]以沼液为原料的微生物燃料电池产电降解特性[J]. 曹琳,雍晓雨,周俊,王舒雅,雍阳春,孙永明,陈怡露,郑涛. 化工学报. 2014(05)
[3]单室无膜空气阴极微生物燃料电池处理沼液的研究[J]. 冯雅丽,毕耜超,李浩然,杨志超,王维大,王鹏. 高校化学工程学报. 2013(05)
[4]稳恒磁场作用下微生物燃料电池的产电特性和电化学阻抗谱分析[J]. 殷瑶,周枫,唐波,叶菲菲,李辰晨,刘勇弟,黄光团. 环境工程学报. 2012(11)
[5]畜禽养殖废弃物沼液的浓缩及其成分[J]. 宋成芳,单胜道,张妙仙,文先红. 农业工程学报. 2011(12)
[6]微生物燃料电池影响因素及作用机理探讨[J]. 詹亚力,王琴,张佩佩,闫光绪,郭绍辉. 高等学校化学学报. 2008(01)
[7]微生物燃料电池表观内阻的构成和测量[J]. 梁鹏,范明志,曹效鑫,黄霞,王诚. 环境科学. 2007(08)
硕士论文
[1]以谷壳及剩余污泥为底物的微生物燃料电池性能研究[D]. 屈原津.哈尔滨工程大学 2013
本文编号：3215320
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