（环境科学专业论文）含氮杂环芳烃类难降解有机物的mfc的降解及产电特性研究.pdf

中山人学博i ：学位论文 全降解为c 0 2 。这是首次对喹啉在m f c 中的降解途径进行报道。结果表明，m f c 可以以喹啉为单一燃料进行产电，同时可加快喹啉的降解速率。在以喹啉和葡萄 糖共基质为燃料时，我们发现“共产电”现象，即等量喹啉和葡萄糖为混合燃料 时的产电量大于单一的喹啉和葡萄糖分别作为燃料时的产电量之和。 从稳定运行了2 1 0 天，以2 0 0m g l 喹啉为燃料的混合菌m f c 阳极室中分离到 一株产电菌株q 1 ，该菌株为革兰氏阴性菌。对菌株q 1 的1 6 sr r n a 进行p c r 扩增 并对扩增d n a 测序显示该菌株的1 6 sr r n a 序列与p s e u d o m o n a sc i t r o n e l l o l i sd s m 5 0 3 3 2 。o 的同源性为9 6 9 ，故该菌株最有可能为假单胞菌属( p s e u d o m o n a ss p ) 。 以喹啉和葡萄糖为混合燃料探讨产电菌株q 1 的实验中发现，本试验所用浓度范围 内，增加葡萄糖浓度，菌株q l 的最高输出电压增大：增加喹啉浓度，菌株q l 的 产电性能降低。研究表明，菌株q l 获得的库仑量和库仑效率达到最高时( 分别 为1 8 6 5 c 和3 6 5 6 ) ，存在一个最佳喹啉与葡萄糖浓度比l ：3 。根据循环伏安法 ( c v ) 的测定结果，该菌株的电子传递机制可能是通过自身分泌的电子传递介 体进行。 吡啶也是一种广泛存在于焦化废水中的难降解有机物，因此我们同时选取吡 啶考察其在m f c 中的产电和降解特性。经过6 0 天与葡萄糖共基质的驯化，m f c 能够以5 0 0 m l 吡啶为单一燃料进行产电，获得的最高电压为11 6 m v ，最大体积 功率密度为1 7 w m 3 ( 1 4 5 m ，m 3 ) ，对应的最大面积功率密度为7 5m w m 2 ( 6 4 0 m a m 2 ) 。吡啶在1 2 d 时之内利用m f c 降解完毕，c o d 的去除率超过7 9 。在 m f c 中，经过三个月的驯化之后，单一吡啶为燃料时的吡啶降解速率比驯化之 前添加葡萄糖的情况更高。c v 测定结果也表明，驯化的过程也是产电细菌活性 增强的过程。本文首次对吡啶在m f c 中的代谢途径进行了探讨，其可能的途径 为：始于c 2 和n 直接的丌环，随后降解为戊二醛，之后被氧化为戊二酸，然后完 全被微生物利用矿化为二氧化碳。 通过p c r d g g e 对不同底物条件下的阳极微生物菌落分析结果表明，随着底 物的改变，阳极微生物菌落结构也在改变。与葡萄糖共基质相比，以单一喹啉为 燃料时的阳极微生物优势菌落发生明显改变。新增加一类菌，这类菌与 p s e u d o m o n a ss p d i c 5 r s 的同源性为1 0 0 ，推测该菌在单一喹啉为m f c 燃料时 喹啉的降解过程中起到关键作用。而与葡萄糖共基质或单一吡啶条件下微生物菌 中山人学溥l ：学位论文 落变化不大。 关键词：微生物燃料电池( m i c r o b i a lf u e lc e l l ，m f c ) ；难降解有机物；产电； 喹啉；吡啶；微生物菌落 中山人学博l ：学位论义 a b s t r a c t t h em i c r o b i a lf u e lc e l l ( m f c ) i sad e v i c et h a tc o n v e r t sb i o m a s si n t oe l e c t r i c i t y t h r o u g ht h em e t a b o l i ca c t i v i t yo ft h em i c r o o r g a n i s m s t h em f ch a st h eg r e a t p o t e n t i a lt ot r e a tw a s t e w a t e r sa n dt og e n e r a t ee l e c t r i c i t yf r o mt h et r e a t m e n ta tt h e s a m et i m e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w e s t u d ye l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nf r o m a n d b i o d e g r a d a t i o no fn i t r o g e n o u sb i o r e f r a c t o r yc o m p o u n d su s i n gt h em f c t h r e et y p e so fm f cw e r ec o n s t r u c t e d ，i n c l u d i n gau p - d o w nm f co fo n ea n o d e e l e c t r o d e ，au p d o w nm f co ff o u re l e c t r o d e s ，a n dag r a p h i t e p a c k e dm f c u s i n g 5 0 0m g lq u i n o l i n ec o m b i n i n gw i t h5 0 0m g lg l u c o s ea st h ef u e l ，w eo b t a i n e d e l e c t r i c i t yg e n e r a t e df r o mt h et h r e em f c s t h e m a x i m u mv o l t a g e so u t p u tf r o mt h e t h r e em f c sw e r e4 2 6 ，7 0 0 ，4 9 9m v ，r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h ee f f e c t i v ea n o d ea r e a , t h em a x i m u mp o w e rd e n s i t i e sw e r e6 9 9 ，1 0 5 6 ，15 3 7m w m z ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n g m a x i m u mv o l u m e t r i cp o w e rd e n s i t i e s ( p ow e r eq 31 ，2 4 ，2 2 7 埘 矗，r e s p e c t i v e l y t h ei n t e r n a lr e s i s t a n c e so ft h eu p - d o w nm f c so fo n ea n o d ee l e c t r o d ea n df o u r e l e c t r o d e sw e r e8 9 0a n d17 7q ，r e s p e c t i v e l y , w h i l et h ei n t e m a lr e s i s t a n c ew a s4 81q f o r t h eg r a p h i t e - p a c k e dm f c t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eg r a p h i t e - p a c k e dm f c h a dt h eh i g h e s tp o w e rd e n s i t y t h e r e f o r e ，t h eg r a p h i t e - p a c k e dm f cw a ss e l e c t e df o r t h ef o l l o w i n gr e l a t i v ee x p e r i m e n t s p o w e ro u p u t sd e c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s eo fg l u c o s ec o n c e n t r a t i o n sw h e nu s i n g 5 0 0m et , q u i n o l i n ec o m b i n i n gw i t hd i f f e r e n tg l u c o s ec o n c e n t r a t i o n s t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tg l u c o s ec o u l dr e d u c et h er e s t r i c t i o no fq u i n o l i n et oe l e c t r o c h e m i c a l a c t i v i t y b a c t e r i a q u i n o l i n ec o u l db ed e g r a t e dt o t a l l ya t t h ee n do fap o w e r g e n e r a t i o nc y c l e t h em a x i m u mv o l t a g eo u t p u tr e d u c e df r o m5 5 8t o3 2 8m vw h e n g l u c o s ec o n c e n t r a t i o n sd e c r e a s e df r o m5 0 0t o10 0m g l ，a n dp vd e c r e a s e df r o m3 5t o 12w m ，t h ec o r r e s p o n d i n gt i m ef o rc o m p l e tq u i n o l i n ed e g r a d a t i o ni n c r e a s e df r o m6 t o12h c o m p a r e dt ot h eo p e nc i r c u i tc o n t r 0 1 t h em f cw i t hc l o s e dc i r c u i te n h a n c e d q u i n o l i n eb i o d e g r a d a t i o nb y10 p o w e rw a sn o to b t a i n e df r o mq u i n o l i n ea st h e s o l ef u e ld u et ot h et h eb i o r e f r a c t o r yc h a r a c t e r i s t i co fq u i n o l i n eb e f o r ea c c l i m a t i o n h o w e v e r , a f t e ra c c l i m a t i o nf o rs i xm o n t h s ，e l e c t r i c i t yw a so b t a i n e du s i n g2 0 0m g l v 中山人学博l ：学位论文 q u i n o l i n e ，r e s u l t i n gi nt h em a x i m a lv o l t a g eo f14 5m v a n dm a x i m a l p o w e rd e n s i t yo f l6 4m w m 2 t h em f c a c c o m p l i s h e dc o m p l e t eq u i n o l i n eb i o d e g r a d a t i o nw i t h i n9 h t h em e t a b o l i cp a t h w a yo fq u i n o l i n ed e g r a d a t i o ni nt h em f cm i g h tb ea sf o l l o w s 2 - o x i d o r e d u c t a s ew a sr e s p o n s i b l ef o rt h ei n i t i a lm e t a b o l i s mo fq u i n o l i n e ，a n dt h e nt h e p y r i d i n e - r i n gc r a c k e d ，p h e n o lp r o d u c e db yas e r i e s o fr e a c t i o n s ，a n dp h e n o l m i n e r a l i z a t e dt oc a r b o nd i o x i d ef i n a l l y i tw a st h ef i r s tt i m et or e p o r tm e t a b o l i c p a t h w a yo fq u i n o l i n ei nt h em f c t h e r e s u l t sc l e a r l yd e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t yt o u s e q u i n o l i n ea s t h em f cf u e lt o g e n e r a t ee l e c t r i c i t ya n de n h a n c eq u i n o l i n e b i o d e g r a d a t i o ns i m u l t a n e o u s l y w ef o u n da “c o p o w e rg e n e r a t i o n p h e n o m i n u m t h ee l e c t r i c a lc h a r g e sf r o mt h eq u i n o l i n e g l u c o s em i x t u r e sw e r eh i g h e rt h a n ( n e a r l y t w i c e0 0t h es u mo fe l e c t r i c a lc h a r g e sg e n e r a t e df r o mt h es a m ea m o u n to fq u i n o l i n e a n dg l u c o s ei n d i v i d u a l l y af a c u l t m i v ea n a e r o b i cb a c t e r i u ms t r a i n ，w h i c hw a sc a p a b l eo fu t i l i z i n g q u i n o l i n ea st h ec a r b o ns o u r c ea n de l e c t r o nd o n o r ，w a si s o l a t e df r o mt h ea n o d eo ft h e m f co p e r a t e df o r210d c o m p a r e dt h es e q u e n c e ( 14 8 6b pl e n g t h ) o ft h es t r a i nw i t h t h eg e n b a n kg e ns e q u e n c e ，t h es t r a i nh a dt h eh i g h e s th o m o l o g y ( 9 7 ) 、i t h p s e u d o m o n a ss p z z 5 ，a m o n gw h i c hp s e u d o m o n a sc i t r o n e l l o l i sd s m5 0 3 3 2 w a s m o s ts i m i l a rt ot h es t r a i n ( 谢n lt h eh o m o l o g yo f9 7 ) w h e nu s i n gd i f f e r e n t q u i n o l i n ec o n c e n t r a t i o n s ( 0t o3 0 0m g l ) c o m b i n i n gw i t h3 0 0m g lg l u c o s ea st h e f u e l ，v a l u e so ft h ec o u l o m b i ce f f i c i e n c y ( c e ) i n c r e a s e dt h e nd e c r e a s e d 诵t l lt h e q u i n o l i n ec o n c e n t r a t i o n s a n dt h em a x i m u mc eo f3 6 6 w a so b t a i n e da t10 0m g l q u i n o l i n e t h ec y c l i cv o l t a m m e t r i c ( c v ) a n a l y s i ss u g g e s t e dt h a tt h em e c h a n i s mo f e l e c t r o nt r a n s f e rw a st h r o u g h e x c r e t i n gm e d i a t o r sp r o d u c e db ys t r a i nq 1 p y r i d i n e i sa n o t h e rb i o r e f r a c t o r yc o n t a m i n a n ti nt h ec o k i n gw a s t e w a t e r t h e r e f o r e ，w ea l s oi n v e s t i g a t e dp o w e rg e n e r a t i o nf r o mp y r i d i n ea n di t sd e g r a d a t i o n r a t e si nt h em f c e l e c t r i c i t yw a so b t a i n e du s i n g5 0 0m g lp y r i d i n ea st h es o l ef u e l a f t e ra c c l i m a t i o nf o r6 0d ，r e s u l t i n gi nt h em a x i m u mv o l t a g eo u t p u tl16m v ，p v 1 7 w m 3 ( 1 4 5 m a m 3 ) ，a n dp a7 5m w m 2 ( 6 4 0m a m 2 ) p y r i d i n ew a sr e m o v e dw i t h i n12hu s i n gt h em f ca n dc o dr e m o v a lr a t e s e x c e e d e d7 9 i n t e r e s t i n g l y ，a f t e r9 0do fa c c l i m a t i o n ，t h eb i o d e g r a d a t i o nr a t e so f v i 中山人学博i ：学位论文 p y r i d i n ei nt h em f cu s i n gp y r i d i n eo n l ya st h ef u e lw g t eh i g h e rt h a nt h o s eu s i n gt h e g l u c o s e p y r i d i n em i x t u r e s c va n a l y s i sa l s oi n d i c a t e dt h a te l e c t r o c h e m i c a la c t i v i t y b a c t e r i ae n h a l l c e da f t e ra c c l i m a t i o n t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h em e t a b o l i s mo f p y r i d i n ei nt h em f cw a sc l e a v e db e t w e e nt h ec 2a n dn a n dd e a m i n a t e dt og l u t a r i c d i a l d e h y d es u b s e q u e n t l y ，f o l l o w e db ys u c c e s s i v eo x i d a t i o nt og l u t a r a t es e m i a l d e h y d e p c r - d g g ea n a l y s i ss h o w e dt h a tm i c r o b i a lc o m m u n i t yc h a n g e dw i t l lt h e s u b s t r a t e s c o m p a r e dt o t h em i x e ds u b s t r a t e sw i t h g l u c o s e ，t h e m i c r o b i a l c o m m u n i t yc h a n g e ds i g n i f i c a n t l yw h e nt h es u b s t r a t ec h 柚g e dt os o l eq u i n o i n e f u r t h e r m o r e ，an e ws p e c i e sw a sf o u n d ，w h i c hh a dt h eh i g h e s th o m o l o g y ( 10 0 ) 晰廿l p s e u d o m o n a ss p d i c 5 r s w es p e c u l a t e dt h a tt h i ss t r a i np l a y e dt h ek e yr o l ei n d e g r a d a t i n gq u i n o l i n ew h e nu s i n gs o l eq u i n o l i n ea st h ef u e l c o m p a r e dt ot h e m i x t u r ew i t hg l u c o s e ，t h ec o m m u n i t ys t r u c t u r ed i dn o tc h a n g e dm u c hw h e nu s i n gs o l e p y r i d i n e k e yw o r d s ：m i c r o b i a lf u e lc e l l ；m f c ；b i o r e f r a c t o r yc o m p o u n d s ；p o w e rg e n e r a t i o n ； q u i n o l i n e ；p y r d i n e ；m i c r o b i a lc o m m u n i t y v i i 论文原创l 生声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：诹翠萍 日期：测。年6 月7 - 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 讶小 争日亡r 月乞z；年 名 埘 戳 协 师 问 导 时 # 吁7 弼月 ，多 ，1，、 年 鍪叫 雌 沙 究 问 研 时 中山人学博i ：学位论文 第一章绪论 1 1 能源问题的重要性与废水资源化 1 1 1 能源与全球气候变暖 2 l 世纪人类所面临的重大挑战是实现经济与社会的可持续发展。而保证优 质可靠的能源供应是国际社会实现可持续发展的必要条件之一。在过去的一个世 纪里，化石燃料职称着工业和经济的发展，然而，化石燃料的大量使用，造成了 二氧化碳的过量释放以及由此加剧的全球气候变化问题。化石燃料将难以维持整 个世界的经济发展。据估计，石油将在未来的1 0 0 年或者更久一点的时间内枯竭。 在未来的几十年罩，能源成本及能源价格将控制人类的经济发展和生活方式。 2 0 0 8 年1 2 月1 8 同，温家宝在哥本哈根气候变化会议领导人会议上讲话中指出： “气候变化是当今全球面临的重大挑战。遏制气候变暖，拯救地球家园，是全人 类共同的使命，每个国家和民族，每个企业和个人，都应当责无旁贷地行动起来。 中国在发展的进程中高度重视气候变化问题，从中国人民和人类长远发展的根本 利益出发，为应对气候变化做出了不懈努力和积极贡献。 二十多年经济快速发展，以及所拥有的世界上最庞大的消费人口，中国目前 已经成为世界第二大能源消费国。据有关专家统计，2 0 0 4 年中国能源消费总量 为1 9 7 亿吨，其中，煤炭1 8 7 亿吨，同比增长1 4 4 ；原油2 9 亿吨，增长1 6 8 ； 天然气4 1 5 亿立方米，同比增长1 8 5 。2 0 0 1 到2 0 0 4 年中国能源消费年均增速 高达9 8 9 ，2 0 0 3 年和2 0 0 4 年分别达到1 3 和1 5 2 。能源消费巨增直接导致 能源生产快速增长。2 0 0 4 年全国一次能源生产总量为1 8 4 6 亿吨标准煤，同比增 长1 5 2 ；发电量2 1 8 7 0 亿千瓦时，同比增长1 4 5 ；煤炭超速增长，近两年年 增产量达到2 亿吨以上，2 0 0 4 年产量达1 9 5 6 亿吨，同比增长1 7 3 ；原油产量 1 7 5 亿吨，同比增长2 9 【1 1 。 尽管如此，中国已经进入了能源短缺的时代。电力持续短缺，今年最大缺口 将达2 5 0 0 万千瓦；煤炭全面紧张，市场价格一路攀升，达到历史高峰；煤炭运 输能力严重不足，严重制约煤炭供应；缺电造成燃料油和柴油发电增加；天然气 出现季节性短缺。一方面能源需求巨大，另一方面资源并非取之不尽、用之 中山人学博i ：学位论文 不竭，巨大的矛盾迫使我们走节约能源的道路，大幅度提高能源利用效率，加快 建设节约型社会1 2 j 。党中央、国务院对能源资源问题也给予了前所未有地关注， 明确提出这是关系我国经济社会发展全局的重大战略问题。能源是人类赖以生存 和发展的重要资源，随着全球经济的蓬勃发展，能源供需之间存在的矛盾也日趋 明显；解决同趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类的可持续发展的两大 根本。 1 1 2 污水处理及废水资源能源化 改革丌放以来，我国经济进入高速发展轨道。尤其是近二十年来，我国的城 市化进程加快发展，随之带来的城市水污染问题r 益严重。近年来，中央和地方 不断加大对水污染治理投资力度。2 0 0 7 年，我国用于水污染治理的投资达到3 3 8 8 亿元，比2 0 0 6 年增加3 2 ，占当年g d p 的1 3 6 。在国际金融危机的环 境下，国家仍然把环境保护放在突出的战略位置，2 0 0 8 年四季度新增的千亿元 中央投资中，用于节能减排和生态建设方面的资金达1 2 0 亿元，对重点流域的 水污染防治及城市污水和垃圾处理以及污水管网的建设资金高达6 0 亿元【3 5 1 。 2 0 0 9 年，我国污水处理厂处理污水高达l 亿m 3 d ，我国每年污水处理厂的运行费 用极高，以北京为例，2 0 0 7 年北京城八区污水年处理量为6 7 2 亿i n 3 ，平均进水b o d 为3 0 0 m g l ，则仅2 0 0 7 年北京城八区处理废水的费用达5 2 亿元。在过去的5 0 年中， 废水处理改善了水环境的质量和人类的健康状况，但这些成果耗费了大量的资 源，并且今后仍需要大量的财力和人力的投入以建设、运行与维护废水处理设施。 要平衡人类对清洁水源的需要和不断大量排放的废水之间矛盾并降低废水 处理的成本，也要求我们开发新的废水处理技术。目前市政废水处理所用的方法 主要是活性污泥法，这种方法不仅污泥产生量大，而需要消耗大量能源。因此我 们应该重新审视耗氧废水处理系统的高能量消耗而开发更有创新性和节省能源 的废水处理技术。这种创新的需要被世界上一流的从事废水处理的科学家和工程 师所认同。近年来，我国城镇供水、节水和污水处理及其再生利用工作取得一定 成效，但还有相当多的污水直接排放，造成了水资源的浪费与污染。一些污水厂 处理污水并没能完全达标，因为污水处理厂普遍存在三高问题，即投资高、电耗 中山人学博i ：学位论文 高和运行费用高。因此，如何在环境污染治理的同时获得清洁能源是整个社会实 现物质循环的技术保障。探索一种可以减少废水处理费用，从废水中得到有用产 物的方法势在必行并已受广泛关注。 1 1 3 开发新能源的技术 大力发展可再生能源可减少我国对中化石能源的能源需求以及依赖程度。新 能源具有环保和储量丰富的特点，它对于解决当今世界极趋严重的环境污染问题 和化石能源枯竭问题都具有重大的意义。各种形式的新能源都是直接或者间接地 来自于太阳或地球内部所产生的热能。主要包括太阳能、风能和生物质能、地热 能和核聚变能、水能、海洋能以及由其衍生出来的生物燃料，氢所产生的能量。 即新能源包括这些可再生能源和核能。 1 1 3 1 太阳能 据史料记载，人类利用太阳能已有3 0 0 0 多年的历史。将太阳能作为一种能 源和动力加以利用却只有3 0 0 多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充 能源”、“未来能源结构的基础”等则是近来的事。2 0 世纪7 0 年代以来，太阳能科 技才开始突飞猛进，太阳能利用进入日新月异的时代。我国是一个蕴藏着丰富的 太阳能资源的国家，约占国土面积的2 3 以上的地区其年同照时数超过2 2 0 0 小 时以上，太阳能理论储量达1 7 0 0 0 亿吨标煤年【6 】。 太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的 能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1 3 6 7 w m 2 。地球赤道的周长为 4 0 0 0 0 k m ，从而可计算出，地球获得的能量可达1 7 3 0 0 0 t w 。在海平面上的 标准峰值强度为l k w m 2 ，地球表面某一点2 4 h 的年平均辐射强度为 0 2 0 k w m 2 ，相当于有1 0 2 0 0 0 t w 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其 中包括所有其他形式的可再生能源( 地热能资源除外) ，虽然太阳能资源总 量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且 它因地而异，因时而变，这是丌发利用太阳能面临的主要问题【7 1 。太阳能的 这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。尽管太阳辐 中山人学博i ：学位论文 射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的2 2 亿分之一，但已高达1 7 3 万 t w ，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于5 0 0 万吨煤。 太阳能利用具有普遍性、无害性、范围巨大和时间长久性( 上百亿年) 的优点，但也有其利用的各种弊端。一、分散性。太阳能到达地球表面的能 量巨大，但难以将其中起来达到可利用的能流密度，这需要一套造价较为昂 贵的收集和转换设备1 7 】。二、不稳定性。由于天气状况、地理位置等自然条 件的影响，使得太阳能不连续，具有不稳定性。三、效率低而且成本高：目 前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也较为成熟。 但有的太阳能利用装置，因为效率偏低、成本较高，总的来说，经济性还不 能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用能否进一步发展， 主要决定于经济性。 太阳能是一种洁净和可持续产生的能源，发展太阳能科技可减少在发电过程 中使用矿物燃料，从而减轻空气污染及全球暖化的问题。 1 1 3 2 风能 风能蕴藏量大，约为水能的1 0 倍。而且具有分布广泛和永不枯竭的优点。 根据国家发改委能源研究所研究员张正敏介绍：“迄今为止，对我国风能资 源只作了粗略的估计，陆上1 0 米高处的理论资源量为3 2 2 6 亿千瓦，其中技术 可开发资源量按1 0 推测，为2 5 3 亿千瓦( 考虑风轮扫掠面积) ，经济可开发资 源量尚未评估。我国近海( 水深小于1 5 米) 风能资源估计为7 5 亿千瓦。陆上 和近海1 0 米高处技术可开发资源量总计约1 0 亿千瓦【矾。现代大型风机高度已超 过5 0 米，5 0 米高处的风能密度为1 0 米高处的2 倍，我国5 0 米高处风能技术可 丌发资源约2 0 亿千瓦。一但又有学者指出风能的计算存在很多不确定性，因此 张诈敏的计算存在误差，综合考虑，我国风能资源经济可开发量仅有3 亿千瓦， 年可利用小时数2 0 0 0 小时计亿千瓦核电站的发电量。因此，风电所能替代化石 能源的能力是十分有限的。特别是风能本身的弊端，如风速和能量不稳定、转换 效率低以及技术不成熟等缺点。风能的随机性和间歇性，它只能替代电量，不能 替代容量，替代的经济性差【9 】。 我国的风能和太阳能发电都缺乏自主知识产权，从国外引进的技术设备不适 合当我国的资源条件。目前关键是加强新能源的科研创新，掌握新能源技术制高 中山人学博“i ：学位论文 点。 1 1 3 3 生物质能 生物质能来自于生物质，也是太阳能以化学能形式贮存于生物中的一种能量 形式【1 0 】，它来源于植物的光合作用，它可以转化成常规的固态、液态、气态的 燃料。 开发利用生物质能对中国农村更具特殊意义，中国8 0 人口生活在农 村。秸秆和薪柴等生物质能是农村的主要生活燃料。尽管煤炭等商品能源在 农村的使用迅速增加，但生物质能仍占有重要地位。1 9 9 8 年农村生活用能 总量3 6 5 亿吨标煤，其中秸秆和薪柴为2 0 7 亿吨标煤，占5 6 7 。因此发 展生物质能技术，为农村地区提供生活和生产用能，是帮助这些地区脱贫致 富，实现小康目标的一项重要任务1 。立足于农村现有的生物质资源，研究 新型转换技术，开发新型装备既是农村发展的迫切需要，又是减少排放、保 护环境、实施可持续发展战略的需要。 国外生物质发电技术，并伴随各国的重视，相关技术已逐渐成熟起来。丹麦 国土面积只有我国山东省面积1 4 ，已建立了1 5 家大型生物质直燃发电厂，年消 耗农林废弃物约1 5 0 万t ，提供丹麦全国5 的电力供应。目前美国有3 5 0 多座 生物质发电站，主要分布在纸浆、纸产品加工厂和其他林产品加工厂，这些工厂 大都位于郊区，提供了大约6 6 万个工作岗位【1 2 1 。目j j ，国外的生物质能技术和装 置多已达到商业化应用程度，实现了规模化产业经营。 1 1 3 4 海洋能 海洋能是指蕴藏于海水中的各种可再生能源包括潮汐能、波能、海流能和海 水温差能以及海水盐度差能等。这些能量都以以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、 海流等形式存在于海洋之中。 海洋能有三个显著特点，一、蕴藏量大，并且可以再生不绝。二、能流的分 布不均、密度低。三、能量多变而且不稳定。 全球海洋能的可再生量是非常巨大的。根据联合国教科文组织在1 9 8 1 年出 版物的估计数字，五种海洋能理论上可再生的总量为7 6 6 亿千瓦。但如上所述是 难以实现把上述全部能量取出，设想只能利用较强的海流、潮汐和波浪；利用大 中山人学博l 学位论文 降雨量地域的盐度差，而温差利用则受热机卡诺效率的限制。因此，估计技术上 可允许利用功率为6 4 亿千瓦，其中盐差能约3 0 亿千瓦，温差能约2 0 亿千瓦， 波浪能约1 0 亿千瓦，海流能约3 亿千瓦，潮汐能约l 亿千瓦。 1 1 3 5 地热能 地热能是一种可再生资源。地球内部热源可来自重力分异、潮汐磨擦和化学 反应、放射j 性元素衰变释放的能量等【1 3 l 。地球内部的温度高达7 0 0 0 ( 3 ，而在 8 0 至1 0 0 公英里的深度处，温度会降至6 5 0 至1 2 0 0 。透过地下水的流动和熔 岩涌至离地面l 至5 公里的地壳，热力得以被转送至较接近地面的地方。高温的 熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水最终会渗出地面。运用地热能最简单 和最合乎成本效益的方法，就是直接取用这些热源，并抽取其能量【1 4 1 。 地热能集中分布在构造板块边缘火山和地震多发区。如果热量提取的速度不 超过补充的速度，地热能便是可再生的。地热能在世界很多地区应用是相当广泛 的。据估计，每年从地球内部传到地面的热能相当于i o o p w h 。不过，由于地热 能的分布相对来说比较分散，开发难度大。 地热主要的应用方式主要有：地热发电、地热供暖、地热务农、地热行医等。 作为一种高效节能的可再生能源技术，地源热泵技术近年来引起社会的重视。目 前，我国除青海、云南、贵州等少数省区外，其他省区都在不同程度地推广地源 热泵技术。目前，全国已安装地源热泵系统的建筑面积超过3 0 0 0 万平方米。据 不完全统计，截至2 0 0 6 年底，中国地源热泵市场年销售额已超过5 0 亿元，并以 2 0 的速度在增长。 1 1 3 6 氢能 氢能以其重量轻无污染热值高而且应用面广等，将成为2 1 世纪的理想能 源。它是一种极为优越的新能源，其主要优点是燃烧热值高，每千克氢燃烧后的 热量，为汽油的3 倍，约为酒精的3 9 倍，约为焦炭的4 5 倍。燃烧的产物是水， 是世界上最干净的能源。资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富 的资源，演义了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。氢能可以用作飞机和 汽车的燃料，还可以用作推动火箭动力【l5 1 。目前，生物质能、太阳能和风能、 水力发电和地热能等的利用技术已经得到了应用，但可再生能源在一次能源中所 中山人学博l ：学位论文 占的比例总体上偏低，一方面是与各个国家的重视程度与政策有关；另一方面与 可再生能源的技术成本偏高有关【1 5 】，尤其是技术含量较高的太阳能、生物质能 和风能等。据国际能源署( 1 e a ) 预测研究，在未来3 0 年内可再生能源发电的成本 会大幅度下降，从而增加它的竞争力i l 5 1 。 氢能源具有其他能源无法媲美的优势所在。一、除核燃料以外，氢的发热值 是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为1 4 2 3 5 l k j k g ，是汽油发热 值的3 倍；同时，氢可以减轻燃料自重，增加运载工具有效载荷，从而降低运 输成本；更为关键的是，利用氢能源还能够减少温室气体的排放量。二、可持续 供应。氢可从水中获得。三、利用方便，无毒害作用。氢燃烧后的产物为水，是 一种清洁的能源，而且水可以再产氢。 1 1 3 7 微生物燃料电池技术 微生物燃料电池( m i c r o b i a lf u e lc e l l ，m f c ) 利用微生物将化学能直接转变 为电能，不受卡诺循环的限制，所以能量转化效率可达8 0 以上。与一般燃料电 池相比，其原料来源广泛、操作条件较温和、生物相容性好、发电清洁，可从环 境中直接获得能量。m f c 技术的研究和丌发备受各国政府与大公司的重视，被 认为是2 l 世纪洁净、高效的发电技术。以废水为燃料的微生物发电是一种新的 可再生能源利用方式，具有常温发电、清洁高效、可循环利用等优点。它还具有 运行稳定，结构简单、维护成本低，适合长时间工作的优点。微生物燃料电池还 可以用于废水b o d 在线监测，前景十分广阔。 1 2 微生物燃料电池技术 1 2 1 细菌发电的研究进展 细菌发电的研究始于1 9 1 0 年。当年，英国植物学家马克皮特首先发现有几 种细菌的培养液能够产生电流。随后他以铂作电极，放进大肠杆菌或普通酵母菌 的培养液里，成功地制造出世界上第一个细菌产电电池。 直到2 0 世纪8 0 年代末，细菌发电才有了重大突破。英国化学家彼得彭托 在细菌发电研究方面才取得了重大进展。他让细菌在电池组罩分解分子，以释放 中山大学博l ：学位论文 出电子向阳极运动产生电能。在糖液中他还添加了某些诸如染料之类的芳香族化 合物作稀释剂，来提高生物系统中输送电力的能力。在细菌发电期间，还要往电 池里不断充入空气，用以搅拌细菌培养液和氧化物质的混合物。据计算，利用这 种细菌电池每1 0 0 克糖可获得1 3 5 2 9 3 x 1 0 4 库仑的电，其效率可达4 0 。这已远 高于目前使用的太阳电池的效率，何况其还有再提高1 0 的潜力可挖。只要不断 给这种细菌电池里添入糖，就可获得2 安培的电流，且能持续数月之久。 细菌具有捕捉太阳能并把它直接转化成电能的特异功能。最近美国科 学家在死海和大盐湖罩找到一种嗜盐杆菌，它们机体被含有一种紫色素， 在把所接受的约1 0 的阳光转化成化学物质时产生电荷。科学家们利用它们 制造出一个小型实验性太阳能细菌电池，试验结果证明是可以用嗜盐性细 菌来发电的，用盐代替糖，其成本就大大降低了。由此可见，让细菌为人 类供电已经不再遥远，不久的将来即可成为现实。 生物学家预言，2 1 世纪将是细菌发电造福人类的时代。 1 2 2 微生物燃料电池的结构及基本工作原理 典型的微生物燃料电池由阳极区和阴极区构成，中间用质子交换摸分开( 图 1 1 ) 。工作原理是：厌氧微生物在阳极氧化有机物的同时，产生电子和质子