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关键词：
微生物燃料电池,好氧生物阴极,硝化作用,pH值
发表时间：
2012-08-20 11:22:37
好氧生物阴极型微生物燃料电池的同时硝化和产电的研究
关振铃 | -> | 1003| 1| 0.377067MB |微生物燃料电池,好氧生物阴极,硝化作用,pH值
摘要:在两室型微生物燃料电池的阴极室接种硝化菌实现了同时硝化和产电. 硝化过程和产电过程在同一区域实现，不仅能够充分利用曝气的溶解氧，节省曝气能源消耗，而且硝化过程产生的额外的质子，有效地避免了产电过程所造成的阴极pH 值升高. 运行稳定期间MFC 的最大电流和最大功率密度分别为47 mA 和45. 50 W/m3 ，当进水氨氮浓度为153. 4 mg /L时，硝化速率为5. 98 mg / ( L·d) . 硝化菌会与产电菌竞争溶解氧，但当溶解氧浓度控制在3. 5 ～ 5. 0 mg /L时，硝化过程未对产电产生明显影响. 无缓冲溶液的条件下，加入氨氮时的阴极电势比未加入氨氮时的阴极电势高124 mV，且阴极电势变化的阶段与氨氮降解的过程是一一对应的. H + 离子的理论计算表明，硝化过程产生的H + 离子(8. 14 × 10 － 3 mol) 与产电过程消耗H + 离子(8. 54× 10 － 3 mol) 数量相当，证实了硝化作用中产生的H + 离子能够补偿阴极室由于产电造成的H + 离子的消耗，维持系统pH 值的稳定.
微生物燃料电池( microbial fuel cell，MFC) 是一种利用微生物的催化作用，将有机物中的化学能转化为电能的装置，通常由阳极室、阴极室和离子交换膜构成. 在阳极室中，有机物在微生物的作用下分解产生电子，电子首先传递到阳极，然后通过外电路到达阴极，同时微生物分解作用产生的质子通过离子交换膜传递到阴极;在阴极室中，电子、氧化剂和质子反应得到还原产物，完成整个生物电化学过程和能量转化过程［1，2］. 目前已证实多种有机物和污染物能够被微生物利用获得电能，包括乙酸［3］、葡萄糖［4］、海洋底泥［5］、食品废水［6］、养殖废水［7］、城市污水［8］等，将MFC 应用于废水处理，能够回收能源，降低废水处理的能耗，变废为宝，极具理论和应用价值.
阴极是MFC 的重要组成部分，早期的MFC 阴极中常常加入金属催化剂以提高MFC 的产电性
能［9］，Pt 是使用最广泛的高效催化剂，但由于Pt 价格昂贵，极大地增加了MFC 的成本，不适于MFC 的规模化应用. 采用微生物作为阴极催化剂，不但可以显著降低MFC 的建造成本，增强MFC 运行的稳定性［10 ～ 12］，而且利用阴极微生物的代谢作用还可以去除水中的多种污染物［13 ～ 15］，因此，生物阴极型MFC成为了近年来MFC 领域研究的热点.
生物阴极型MFC 中遇到的主要瓶颈问题是pH值波动. 在常规的两室型MFC 中，为了维持系统中阳极室和阴极室出现pH 值的偏移，阳极pH 值降低，阴极pH 值升高，最终导致产电微生物的活性下降，输出电压和阴极电势都明显降低［16，17］. 为了避免出现pH 值偏移的问题，研究者考虑了一些对策.Liu 等［18］考察了无膜的生物阴极型MFC，解决了pH值波动的问题，但是无膜MFC 中，溶解氧会直接扩散进入阳极，导致其库仑效率偏低( 只有12% 左右) ;Freguia［13］等将阳极室的出水直接流入阴极室，不但强化了有机物的去除效果，而且为质子从阳极向阴极的扩散和传递提供了额外的通道，在一定程度上解决了阴、阳极室pH 值波动的问题.
在本研究中，笔者通过向阴极室投加硝化细菌的方法，在MFC 的阴极中，同时实现硝化和稳定产电2 个过程，利用硝化过程产生的额外的质子，避免了产电过程造成的阴极pH 值升高. 考察了MFC 的产电功率和硝化速率，并进一步通过理论计算，验证了硝化过程对稳定MFC 系统pH 值和促进产电的积极作用.电荷的平衡，当一定量的电子在电场的作用下通过外电路从阳极流入阴极时，就会有等量的质子从阳极经阳离子交换膜进入阴极. 然而，由于阳离子交换膜的非特异选择性，溶液中的其他阳离子如钠离子、钾离子等，会代替质子扩散进入阴极，使得MFC 的阳极室和阴极室出现pH 值的偏移，阳极pH 值降低，阴极pH 值升高，最终导致产电微生物的活性下降，输出电压和阴极电势都明显降低［16，17］. 为了避免出现pH 值偏移的问题，研究者考虑了一些对策.Liu 等［18］考察了无膜的生物阴极型MFC，解决了pH值波动的问题，但是无膜MFC 中，溶解氧会直接扩散进入阳极，导致其库仑效率偏低( 只有12% 左右) ;Freguia［13］等将阳极室的出水直接流入阴极室，不但强化了有机物的去除效果，而且为质子从阳极向阴极的扩散和传递提供了额外的通道，在一定程度上解决了阴、阳极室pH 值波动的问题.
在本研究中，笔者通过向阴极室投加硝化细菌的方法，在MFC 的阴极中，同时实现硝化和稳定产电2 个过程，利用硝化过程产生的额外的质子，避免了产电过程造成的阴极pH 值升高. 考察了MFC 的产电功率和硝化速率，并进一步通过理论计算，验证了硝化过程对稳定MFC 系统pH 值和促进产电的积极作用.
阴极是MFC 的重要组成部分，早期的MFC 阴极中常常加入金属催化剂以提高MFC 的产电性
能［9］，Pt 是使用最广泛的高效催化剂，但由于Pt 价格昂贵，极大地增加了MFC 的成本，不适于MFC 的规模化应用. 采用微生物作为阴极催化剂，不但可以显著降低MFC 的建造成本，增强MFC 运行的稳定性［10 ～ 12］，而且利用阴极微生物的代谢作用还可以去除水中的多种污染物［13 ～ 15］，因此，生物阴极型MFC成为了近年来MFC 领域研究的热点.
生物阴极型MFC 中遇到的主要瓶颈问题是pH值波动. 在常规的两室型MFC 中，为了维持系统中阳极室和阴极室出现pH 值的偏移，阳极pH 值降低，阴极pH 值升高，最终导致产电微生物的活性下降，输出电压和阴极电势都明显降低［16，17］. 为了避免出现pH 值偏移的问题，研究者考虑了一些对策.Liu 等［18］考察了无膜的生物阴极型MFC，解决了pH值波动的问题，但是无膜MFC 中，溶解氧会直接扩散进入阳极，导致其库仑效率偏低( 只有12% 左右) ;Freguia［13］等将阳极室的出水直接流入阴极室，不但强化了有机物的去除效果，而且为质子从阳极向阴极的扩散和传递提供了额外的通道，在一定程度上解决了阴、阳极室pH 值波动的问题.
在本研究中，笔者通过向阴极室投加硝化细菌的方法，在MFC 的阴极中，同时实现硝化和稳定产电2 个过程，利用硝化过程产生的额外的质子，避免了产电过程造成的阴极pH 值升高. 考察了MFC 的产电功率和硝化速率，并进一步通过理论计算，验证了硝化过程对稳定MFC 系统pH 值和促进产电的积极作用.电荷的平衡，当一定量的电子在电场的作用下通过外电路从阳极流入阴极时，就会有等量的质子从阳极经阳离子交换膜进入阴极. 然而，由于阳离子交换膜的非特异选择性，溶液中的其他阳离子如钠离子、钾离子等，会代替质子扩散进入阴极，使得MFC 的阳极室和阴极室出现pH 值的偏移，阳极pH 值降低，阴极pH 值升高，最终导致产电微生物的活性下降，输出电压和阴极电势都明显降低［16，17］. 为了避免出现pH 值偏移的问题，研究者考虑了一些对策.Liu 等［18］考察了无膜的生物阴极型MFC，解决了pH值波动的问题，但是无膜MFC 中，溶解氧会直接扩散进入阳极，导致其库仑效率偏低( 只有12% 左右) ;Freguia［13］等将阳极室的出水直接流入阴极室，不但强化了有机物的去除效果，而且为质子从阳极向阴极的扩散和传递提供了额外的通道，在一定程度上解决了阴、阳极室pH 值波动的问题.
在本研究中，笔者通过向阴极室投加硝化细菌的方法，在MFC 的阴极中，同时实现硝化和稳定产电2 个过程，利用硝化过程产生的额外的质子，避免了产电过程造成的阴极pH 值升高. 考察了MFC 的产电功率和硝化速率，并进一步通过理论计算，验证了硝化过程对稳定MFC 系统pH 值和促进产电的积极作用.
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