微生物燃料电池(MFC)机理为,有机物质被 厌氧微生物氧化分解,产生的电子由阳极传递到 外电路到达阴极,质子在溶液中经过质子交换膜 (或直接)到达阴极,与作为电子受体的氧气结合 生成水,从而形成一个完整的电流回路 [1] .用微生 物作生物催化剂,可以在常温、常压下进行能量 转换 [2] .MFC在燃料方面的研究主要集中在醋酸 盐[ 3]、淀粉 [4]、糖类 [5]、半光氨酸 [6]、醇类 [7]、蛋 白质[ 8] 等物质上.在单一碳源条件下,MFC的最大功率密度可达2770mW/m 2[9] .但在处理实际废水 时[ 5,10-12] ,由于废水成分复杂,其功率输出相对人 工配水小,目前最大功率仅达到672mW/m 2 .贾斌 等[ 13] 在研究以剩余污泥为燃料的MFC中获得了 44mW/m 2 的输出功率密度.
目前主要以输出功率密度作为衡量MFC性能优劣的标准.功率密度大小主要取决于电子在 微生物和电极之间的转移效率、电极表面积、电 解液(阳极液和阴极液以及质子交换膜)的电阻 和阴极区的反应动力学等因素 [14] .以污水厂剩余 污泥为燃料的MFC产电 [13] ,功率密度较低,其影 响因素没有系统探讨,本研究考察了剩余污泥体 积、阳极面积、剩余污泥的浓度、离子添加剂(如 NaCl,K2HPO4)、阴阳极之间距离等因素对剩余 污泥为燃料的MFC的输出功率密度的影响.
1材料与方法
1.1材料
剩余污泥取自长沙某污水处理厂,pH 7.2~ 7.8,污泥液相中TCOD为9230~15000mg/L,其中 SCOD为50~226mg/L,TSS为12100~14800mg/L, VSS为8400~10500mg/L,VSS/TSS 0.56~0.67, SCOD/TCOD 0.3%~1.5%.
1.2 MFC实验装置
采用单室无膜MFC(图1),反应器为圆柱形玻 璃容器,上端设取样口,阳极为片状石墨电极,阴极 为杆状石墨电极(未做包括镀Pt等任何处理),呈悬 浮状态.阴、阳极之间用铜导线连接,外接500?的 电阻(测定极化曲线时除外).实验产生的电压通过 USB-1208LS型电压数字采集卡(美国Measure- ment Computing公司)测定,每隔1min自动记录到 计算机上.实验在恒温(30℃)的条件下进行.
1.3实验方法
取出污泥后沉淀24h,去除上清液后于4℃保存,为了减少对系统的影响,使用前先使污泥恢复 到室温.运行过程中不投加其他接种污泥,及其他 物质.为使前后数据有一定的可比性,采用控制进 泥中TCOD的方法来调配不同浓度污泥. 试验过程中,如果没有其他说明,污泥体积均 采用200mL,剩余污泥泥水比为1:1,阳极面积为 12cm 2 ,阴极采用悬浮阴极,阴阳极距离5cm,NaCl 投加量100mmol/L,在确定的实验条件下通过极 化曲线(以电流密度为横坐标,功率密度为纵坐 标作图得到的曲线)研究系统最大输出功率密度 的变化.在最优实验过程中,实验条件采用各影响 因素中最佳条件的组合.
1.4测定方法
COD和TCOD采用标准方法测量.电流 I(mA)由欧姆定律计算,以阳极面积为单位的功 率密度P(mW/m 2 )采用公式(1)计算:
体积增加到250mL时,功率密度比150mL时下降 了12.4%(63.98mW/m 2 ).这与Fan等 [15] 在研究燃料 体积对系统影响的实验结果基本一致,说明燃料体 积对系统的影响不大,污泥量的增加并没有促进以 面积为单位输出功率密度的提高.提示150mL污 泥中所含有的营养物的量对MFC中的产电微生 物而言已经足够.
2.2阳极面积对MFC功率密度的影响
无中间体微生物燃料电池中,微生物向电极表 面传递电子主要依靠微生物细胞膜上的细胞色素 C进行 [15] ,因微生物都是附着在燃料电池的阳极上, 阳极表面积增大,可供更多的微生物生长繁殖,传 递电子速率就更大,反映为U变大.但由式(1)可 知,A与P呈反比.因此,A增大导致U增大,并不一 定能够加大P.由图3可知,采用5cm 2 阳极时,功率 密度可达74.69 mW/m 2 ,面积增大到10cm 2 时,功率 密度下降了35.84%(47.92mW/m 2 );面积达到 15cm 2 时,功率密度比最大时下降了61.19%.
MFC功率密度与阳极面积呈现负相关的关 系还可能是微生物没有完全利用阳极的全部表 面积;阳极面积过大,由于混合菌种的微生物种群 之间存在相互竞争的情况而对电能输出起到一 定的负面影响;阳极面积过大使燃料电池的内阻 有所改变,从而影响了最佳的输出功率密度. 2.3离子浓度对MFC功率密度的影响 提高离子强度可以增强溶液的导电性,减小 MFC内阻,从而增强产电性能.分别采用NaCl和K2HPO4,考查不同离子浓度对输出功率密度的影 响.由图4a可见,0,50,100,150,200,300mmol/L的 NaCl相对应的输出功率密度呈逐步上升趋势.
此 结果与Liu [1] 的研究结论一致.
由图4b可见,没有加入K2HPO4时,功率密度 为17.34mW/m 2 ;加入50,100mmol/L时,功率密度 均不同程度上升;然而再增大其浓度,功率密度出 现了下降的趋势.可能是磷浓度过高,抑制了微生 物活性,导致功率密度下降. 2.4污泥浓度对MFC功率密度的影响 将储存污泥按泥水比3:1,1:1,1:2,1:5,1:10, 1:20稀释加入反应器中,考察污泥浓度对功率密 度的影响(图5).对应的输出功率密度分别为 66.75,75.90,163.35,102.12,48.32,40.83mW/m 2 .这 与Heilmann等 [17] 使用肉类加工厂废水为原料的 MFC结果一致.
剩余污泥浓度高时,供微生物消化的营养物 质充足,且更好地保证单室MFC内部的厌氧状态 但污泥浓度过高,阳极表面的微生物容易附着更 多黏性泥状物质,使剩余污泥溶液导电性能下降 降低了输出功率.剩余污泥浓度低时,系统中的溶 质浓度低,增加了系统的导电性,降低了内阻,有利 于增大MFC的功率密度,但此时MFC中TCOD 较低,各物质浓度都较低,微生物的营养物质可能 不足,导致了输出功率的下降.
2.5阴、阳极距离对MFC功率密度的影响
制约MFC输出功率密度的最大因素是电子 传递过程.Marcus等 [18] 认为,电子转移速率由电 势差、重组能和电子供体与受体之间的距离决定 由图6可见,当阴、阳极距离逐渐减小(5.0,3.0,1.0 0.5cm)时,MFC的输出功率有所提高,尤其当距离 小于1.0cm时增幅更大.Cheng等 [19]研究了以葡 萄糖为燃料的MFC,实验表明两极间距离从 4.0cm减少到2.0cm时,产电量增加.但是距离为 1.0cm时,最大输出功率密度却只有2.0cm时的 约50%.功率密度的下降是因为阳极和阴极距离 过小,O2容易传递到阳极上,对厌氧的产电微生 物有一定伤害作用.但由于本实验使用的燃料是 浓度很高的剩余污泥,剩余污泥保持厌氧状态,即 使有微量O2传入污泥里,也会被污泥中大量还原 性物质消耗掉,因此,即使阴阳极距离为0.5cm O2也未对阳极微生物造成破坏性影响,导致输出
2.6最优条件下MFC功率密度
选取5cm2的阳极面积,使用200mL剩余污 泥,其泥水比为1:2,加入300mmol/L的NaCl,调整 阴阳极之间距离为0.5cm,保证体系温度为30℃. 得到了以剩余污泥为燃料的MFC的最大输出功 率密度为256.12mW/m 2 (图7),贾斌等 [13]使用单 室无膜燃料电池以剩余污泥作为接种体,阳极的 面积为30cm 2 ,阴阳极距离为5cm,添加180mL的 污泥于35℃在不加入任何其他物质的条件下,运 行得到44mW/m2的最大输出功率密度.本研究 通过优化试验条件,获得的功率密度约为其的 5.8倍.
3结论
3.1剩余污泥体积对MFC的输出功率密度影 响不大,污泥量的增加并没有促进以面积为单位 的输出功率密度的提高.
3.2 MFC的阳极面积为5,10,15cm 2 时,阳极面 积越大,输出功率密度反而越小.
3.3 NaCl作为离子添加剂时,随着投加量的增 加,输出功率密度相应增加,最大为173.4mW/m 2 但K2HPO4为离子添加剂时,输出功率密度则先 增加后降低.
3.4剩余污泥的浓度对MFC的运行有影
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