（环境工程专业论文）两类微生物燃料电池降解硝酸盐和苯酚废水研究.pdf

合肥工业大学 i l i i l ii ii ii il1 11 1i i i ti il y 18 8 6 8 0 0 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 导师： 答辩委员会签名：( 工作单位，职称) 安徽省环保厅高工 安徽国祯集团教授级高工 蠢立抉 安徽省环科院高工 锄易健 合肥工业大学教授 易昏杠 ，合肥工业大学副教授 合肥工业大学教授 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：曩孽坐签字日期：2 , o 年月弓口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金妲王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金目巴王些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 兰 导师签名：易容幸久 导师签名。7 易务彳久 签字日期：纠，年争月芗口日签字日期：加l ，年乒月罗口日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： ：矗爹p1，n 两类微生物燃料电池降解硝酸盐和苯酚废水研究 摘要 本文介绍了微生物燃料电池的原理和最新研究进展。并在此基础上，构建 单室钛基二氧化铅阴极微生物燃料电池降解硝酸盐废水，考察m f c 闭路与开 路、硝酸盐浓度、c n 比、进水方式以及外电阻等因素对m f c 产电和反硝化反 应的影响。同时探求双室微生物燃料电池生物阴极协同处理硝酸盐的新型污水 处理方法，考察闭路与开路、阳极浓度、外电阻等因素对m f c 产电和反硝化 反应的影响。本实验旨在为m f c 应用于去除硝酸盐废水奠定理论基础。研究 结果如下： m f c 促进了硝酸盐的降解。生物反硝化过程与电子的传递过程存在竞争关 系：m f c 系统的电压极大地受c n 比影响。c 小比越大时，硝酸盐对m f c 电 压的输出抑制越小；外电阻1 0 0q 为本m f c 最佳的运行条件；单室m f c 连续 运行时可以得到更高的硝酸盐降解率以及电压。 双室m f c 闭合后，阳极室降解葡萄糖产生的电子通过外电路传递到阴极， 在生物作用下，硝酸盐得到电子被还原。双室m f c 促进生物反硝化过程；阴 极室含有微生物的m f c 系统硝酸盐氮降解率远远大于无菌系统；m f c 阴极反 硝化速率与电流密度呈正比；c o d 浓度越高时，阴极室内反硝化的速率也相 应的提高。由m o n o d 经验公式得出，k s = 1 1 9 7m g l ，p m = 4 7 6m w m z ，r 2 = 0 9 0 0 3 。 运用两类微生物燃料电池同时降解硝酸盐和苯酚。本文结果表明：利用微 生物燃料电池来降解硝酸盐是可行的。微生物燃料电池在降解有机物和还原硝 酸盐的同时，还能输出电能。m f c 作为新型的污水处理方式，在污水处理方面 具有巨大的发展潜力。 关键词：微生物燃料电池：反硝化；生物阴极；竞争；产电 d e g r a d i n gn i t r a t e 一 1 t w o - k i n d a n dp h e n o lf r o m o fm i c r o b i a lf u e l a bs t r a c t w a s t e w a t e ri n c e l l s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fm i c r o b i a lf u e lc e l l ，p r i n c i p a la n d t h el a t e s tr e s e a r c hp r o c e s s f a c t o r sa b o u to p e na n dc l o s e dc i r c u i t ，c na n d e x t e r n a l r e s i s t a n c eo nr e m o v i n gn i t r a t ec o n t a i n i n gw a s t e w a t e rw e r es t u d i e d i nas i n g l e c h a m b e rm f c t h ee f f e c t so fn i t r a t eo nt h ep e r f o r m a n c eo fm f cs y s t e ma n dt h e d e n i t r i f i c a t i o n a c t i v i t y i nt h e s y s t e m w e r e i n v e s t i g a t e d s i m u l t a n e o u s l y , t w o c h a n l b e rm f cw i t hn i t r a t ea st h ee l e c t r o na c c e p t o rh a sb e e ns u c c e s s f u l l y c o n s t r u c t e d t h ee f f e c to fo p e na n dc l o s e dc i r c u i t ，c n ，c u r r e n td e n s i t ya n da n o d e c o n c e n t r a t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo fm f cs y s t e ma n dt h ed e n i t r i f i c a t i o na c t i v i t yi n t h es y s t e mw e r ei n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n tw a st os t u d yan e wm o d eo 士t r e a t i n g n i t r a t ew a s t e w a t e r m f ci m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo fr e d u c i n gn i t r a t e t h er e s u l t sp o s s i b l yw e r e d u et ot h ec o m p e t i t i o nb e t w e e nt h ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n a n dd e n i t r i f i c a t i o n p r o c e s s ；m f cv o l t a g e w a sg r e a t l ya f f e c t e db yc n t h er e s t r a i n to nt h em f c v o l t a g ec a nb ei g n o r e dw h e nc nw a sb i g ；e x t e r n a lr e s i s t a n c e lo o f lw a st h eb e s t o p e r a t i o nc o n d i t i o no fm f c ；m f cg o th i g h e r d e n i t r i f i c a t i o nr a t ea n dv o l t a g eu n d e r ac o n t i n u o u so p e r a t i o n i nb o t hm f c s ，g l u c o s es e r v e da st h es o l es u b s t r a t e e l e c t r o n se x t r a c t e df r o m g l u c o s ei nt h e a n o d et r a v e l e dt ot h ec a t h o d et h r o u g ha ne x t e r n a lc i r c u i t ，a n d s u b s e q u e n t l yt r a n s f e r r e d t on i t r a t ev i ab i o l o g i c a lc a t a l y s i s ，r e s u l t i n gi nn i t r a t e r e d u c t i o n t w o c h a m b e rm f ci m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo fd e n i t r i f y i n gr a t e ；t h e s i g n i f i c a n t l yl a r g e rd e c r e a s ei nn 0 3 - ni nt h em f c w i t ham i c r o b i a lp o p u l a t i o ni n t h ec a t h o d ec h a m b e rc o m p a r e dt os t e r i l em f c d e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r e s e n c eo f b a c t e r i ae n h a n c e dn i t r a t er e d u c t i o n ；t h en i t r a t e r e d u c t i o nr a t ei n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n g c u r r e n t d e n s i t y ；c o d c o n c e n t r a t i o no fa n o d ew a sh i g h e r , t h e d e n i t r i l y i n gr a t eo fc a t h o d ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v e d k s21 19 7m g l ，p m24 7 6 m w m 2 ，r 2 = 0 9 0 0 3w e r eo b t a i n e db ym o n o de m p i r i c a lf o r m u l a s ； t w o k i n do fm f c sw a ss u c c e s s f u l l yc o n s t r u c t e db yu s i n gp h e n o la st h es o l e s u b s t r a t e ，s i m u l t a n e o u s l yd e g r a d i n gn i t r a t e t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a tm i c r o b i a l f u e lc e l l i n t r e a t i n g n i t r a t e w a s t e w a t e rw a sf e a s i b l e m i c r o b i a l f u e lc e l l s ( m f c s ) r e p r e s e n ti n n o v a t i v e r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g i e sf o rw a s t ea n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb e c a u s et h e yh a v et h e p o t e n t i a l f o rs i m u l t a n e o u s g e n e r a t i o no fe l e c t r i c i t y a n dr e m o v a lo fo r g a n i c p o l l u t a n t s ，n i t r a t e t h e f u r t h e ra p p l i c a t i o no ft h i st e c h n i q u ew o u l dh a v ea p r o m i s i n gf u t u r e k e y w o r d s ：m i c r o b i a l f u e lc e l l ；d e n i t r i f i c a t i o n ；b i o c a t h o d e ；c o m p e t i t i o n ；v o l t a g e 致谢 本人在硕士生课程学习和科研学习的过程中，得到了导师汪家权教授的悉 心指导，在硕士研究生阶段，我不仅在科研、学习过程中得到了汪老师的细致 指导，更重要的是在为人处事、如何成才方面得到了汪老师的悉心教诲。汪老 师敏锐的洞察力、丰富的学科知识、一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏 实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，给以终生受益。在此向导师表达 最诚挚的感激之情，并致以最崇高的敬意，祝恩师幸福安康，桃李满天下! 感谢资环学院孙世群院长、陈少华、陈立爱、胡淑恒等老师对我的教育培 养。他们细心指导我的学习与研究。还要感谢我院的客座教授金松以及他的助 手i e f f e r ym o r r i s 。金老师在我硕士期间曾多次到我校，提供国内外相关领域的 最新研究成果并对如何开展相关实验进行指导。在此，我要向诸位老师深深地 鞠上一躬。各位老师一直以来对我的悉心栽培和谆谆教诲，他们的帮助指导为 我今后向更高目标夯实了基础，还有实验室李云霞等老师为我提供了良好的研 究条件，谨向各位表示诚挚的敬意和谢忱。 感谢我的同门兄弟姐妹杨金萍、陆飞、陈衬、扬子、马玉萍等对我学习、 生活的关心和帮助。感谢在一起愉快的度过研究生生活的各位同门，和他们一 起度过的时光是我研究生期间最为美好的回忆，从他们的身上我学习到了很多 很难从书本上学习到的道理，祝他们事业有成、一切顺利。 最后，感谢我的父母及我的家人对我的理解与支持。 作者：夏雪兰 2 0 11 年4 月3 0 日 目录 第一章绪论1 1 1 问题的概述1 1 2 微生物燃料电池简介1 1 3m f c 国内外研究进展2 1 3 1 微生物燃料电池底物的研究进展2 1 3 2m f c 阴阳极材料5 1 3 3 微生物一6 1 3 4m f c 的构造8 1 3 5m f c 的影响因素一8 1 4 本课题国内外研究现状9 1 5 本课题研究目的11 1 6 本文的研究内容以及技术路线1 1 1 6 1 研究内容一1 1 1 6 2 技术路线1 l 第二章实验材料与方法1 3 2 1 实验装置1 3 2 2 实验材料1 4 2 2 1 药品和试剂的配制1 4 2 2 2 实验器材1 5 2 2 3 电极材料和电极的制作1 6 2 2 4 质子交换介质1 7 2 2 5 接种污泥1 7 2 3 分析方法1 7 2 4 电池性能评价指标j 1 7 2 4 1 电压1 7 2 4 2m f c 内阻17 2 4 3 极化曲线18 2 4 4 电池输出的功率密度1 8 2 4 5 库伦效率18 第三章单室微生物燃料电池去除硝酸盐研究1 9 3 1 单室m f c 系统的启动19 3 2 单室m f c 开路与闭路比较1 9 3 2 1 单室m f c 硝酸盐降解情况1 9 3 2 2 单室m f c 中c o d 降解变化情况2 l 3 2 3m f c 性能2 1 3 3m f c 体系中含有硝酸盐与不含有硝酸盐的对比研究一2 2 3 3 1m f c 体系中硝酸盐降解情况2 2 3 3 2 单室m f c 的性能2 3 3 4 单室m f c 在c n 下硝酸盐降解情况2 4 3 4 1 不同c n 下m f c 电能输出2 4 3 4 2 不同c n 比下对反硝化作用的影响2 6 3 5 电阻对m f c 降解硝酸盐的影响2 7 3 5 1 不同电阻下硝酸盐变化情况2 7 3 5 2 不同电阻下m f c 性能2 8 3 6 动态与静态的实验研究2 9 3 6 1 动态与静态时硝酸盐降解情况2 9 3 6 2 动态与静态m f c 产电性能3 0 3 7 本节小结3l 第四章双室微生物燃料电池去除硝酸盐研究3 2 4 1 双室m f c 促进生物反硝化反应3 2 4 1 1 双室m f c 静态条件下硝酸盐降解情况3 2 4 1 2m f c3 闭合时产电性能3 5 4 1 3 灭菌系统下m f c 降解情况3 5 4 2 双室m f c 硝酸盐去除3 6 4 2 1m f c 硝酸盐降解：3 6 4 2 2m f c 的性能3 7 4 3 不同外电阻下m f c 硝酸盐降解情况3 8 4 3 1 外电阻对反硝化作用的影响3 8 4 3 2 外电阻对电压和功率密度的影响3 9 4 4 不同阳极c o d 浓度的影响4 l 4 4 1m f c 中硝酸盐降解情况4 1 4 4 2m f c 的产电性能4 3 4 5 本节小结4 4 第五章两类微生物燃料电池降解硝酸盐和苯酚废水研究4 5 5 1 单室m f c 降解硝酸盐和苯酚废水情况4 5 5 1 1 单室m f c 苯酚与c o d 的降解情况4 5 5 1 2 单室m f c 硝酸盐氮的降解情况4 6 5 1 3 单室m f c 性能一4 7 5 2 双室m f c 降解硝酸盐和苯酚研究4 8 5 2 1 阳极室苯酚以及c o d 降解情况4 8 5 2 2 阴极室硝酸盐降解情况4 9 5 2 3m f c 性能5 0 5 3 本节小结5 0 第六章结论与展望5 1 6 1 结论51 6 2 展望5 2 参考文献5 3 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 10 图3 1 1 图3 1 2 图3 13 图3 1 4 图3 15 图3 16 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 10 插图清单 m f c 原理图2 技术路线图1 2 二氧化铅阴极单室m f c 实验装置1 3 双室m f c 实验装置1 3 标准二氧化铅图谱1 6 制备的p b 0 2 的x r d 图谱1 6 单室m f c 开路与闭路下n 0 3 n 随时间变化图2 0 单室m f c 开路与闭路下n 0 2 一n 随时间变化图2 0 单室m f c 开路与闭路下c o d 随时间变化图2 1 闭合状态下m f c 输出电压2 2 单室m f cn 0 3 - n 和n 0 2 - n 随时间变化2 3 不同硝酸盐浓度( 0 和5 0m g l ) 下电压随时间变化曲线2 4 不同硝酸盐浓度下极化曲线与功率密度曲线2 4 不同c n 比下电压变化曲线2 5 不同c n 下极化曲线和功率密度曲线2 5 不同c n 下n 0 3 n 随时间变化曲线2 6 不同c n 下n 0 2 n 随时间变化曲线2 7 不同电阻下n 0 3 一n 、n 0 2 n 、n h 4 n 随时间变化曲线一2 8 动态与静态条件下m f c 的n 0 3 n 的降解图2 9 动态与静态条件下m f c 的n 0 2 n 的降解图3 0 静态和动态电压变化一3 0 静态和动态极化曲线和功率密度曲线3 l 闭路与开路情况下阴极室n 0 3 n 降解情况3 2 闭路与开路情况下阴极室n 0 2 n 降解情况3 3 闭路与开路情况下阴极室n h 4 n 降解情况3 3 m f c3 电压输出情况3 5 m f c3 闭合时极化曲线( u 1 ) 和功率密度( p i ) 曲线3 5 m f c 中n 0 3 n 降解情况3 6 在连续进水情况下n 0 3 n ，n 0 2 - n 随时间降解情况3 7 双室m f c 电压随时间的输出情况( 外电阻1 0 0q ) 3 8 双室m f c 中c o d 降解变化情况( 外电阻1 0 0 f 1 ) 3 8 不同外电阻下n 0 3 - n 、n 0 2 一n 、n h 4 一n 变化情况4 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 13 图4 1 4 图4 15 图4 16 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 不同外电阻下电流输出情况4 0 不同电阻下极化曲线和功率密度曲线4 l 不同c o d 下n 0 3 n 变化情况4 2 不同c o d 下n 0 2 n 变化情况4 2 不同c o d 下n h 4 n 变化情况。4 3 不同阳极底物的m o n o d 方程曲线4 4 开路与闭路条件下苯酚变化情况4 6 开路与闭路条件下c o d 变化情况4 6 开路与闭路情况下m f c 的n 0 3 n 的降解图4 7 开路与闭路情况下m f c 的n 0 2 n 的降解图4 7 开路与闭路情况下m f c 的n h 4 一n 的降解图4 7 开路与闭路情况下以苯酚为底物的m f c 电压输出图4 8 双室m f c 苯酚变化情况4 9 双室m f cc o d 变化情况一4 9 双室m f c 阴极室n 0 3 n 、n 0 2 一n 、n h 4 - n 变化情况5 0 插表清单 表1 1双室m f c 分类8 表2 1生长介质溶液的组份及含量1 4 表2 2维他命溶液的组份及含量1 4 表2 3微量元素溶液的组份及含量1 4 表2 4 缓冲溶液l5 表2 5水样处理仪器15 表2 6主要分析项目及方法一览表1 7 表3 1不同电阻下m f c 性能一2 8 第一章绪论 1 1 问题的概述 地下水是目前地球上最主要的饮用水源之一。全世界超过1 5 亿的人口 以地下水为饮用水【1 1 。我国水资源总量的1 3 来自于地下水。目前全国地下水 供水达1 0 4 0 亿m 3 以上，占总供水量的1 8 4 ，其中海河流域、北方辽河分别 达到6 6 7 和5 7 。全国6 6 1 个城市有4 0 0 多个将地下水作为重要供水水源。 全国农业地下水开采量占到了地下水开采总量的5 4 3 【2 j 。地下水是我国经济 和社会发展以及人民生活所必需的、不可替代的重要资源。近年来，随着我国 工农业生产的快速发展，国民经济得到了迅速的发展，但各种环境问题也随之 而来，其中地下水污染的情况正日益严峻。 饮用水硝酸盐污染已引起全世界的广泛关注，我国目前大多数地区的地下 水已受到硝酸盐不同程度的污染，并且有逐年增加的趋势，个别地区作为饮用 水的地下水中的硝酸盐浓度已在3 0m g ( n ) l 以上【3 ，4 】。饮用水中过量的硝酸盐 能够引起婴幼儿高铁血红蛋白血症，使血液不能输送氧气，这是一种潜在的致 命的环境问题。另据报道，饮用水中过量的硝酸盐也是人类致癌的物质之一。 目前去除硝酸盐废水的方法有：离子交换，反渗透，电化学还原以及生物修复。 在众多的饮用水脱硝技术中，生物反硝化法倍受重视，应用广泛。然而，地下 水往往存在碳源不充足问题，进行生物反硝化时需提供外加碳源，但提供外加 碳源的同时往往带来地下水的二次污染。 微生物燃料电池( m i c r o b i a lf u e lc e l l ，简称m f c ) 是一种利用微生物作为 催化剂将有机质化学能转变为电能的新颖技术装备。与厌氧生化法相比，m f c 有其自身的优点：首先它降解底物将有机质化学能直接转化为电能，保证了 m f c 具有高的能量转化效率；其次，不同于现行的所有生物处理，m f c 能够 在常温，甚至是低温的环境条件下有效运作；第三，m f c 不需要进行废气处理， 因为其产生的废气的主要组分是二氧化碳；第四，m f c 不需要能量输入，因为 氧气来源广泛，且仅需通风就可补充阴极所需的氧气；第五，在缺乏电力基础 设施的局部地区，m f c 具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来满足我们对能 源需求的燃料的多样性p j 。 能否将微生物燃料电池与硝酸盐的去除相结合，探求微生物去除硝酸盐的 新型模式。与传统的反硝化反应作对比，探究微生物燃料电池是否具有独特的 优势。 1 2 微生物燃料电池简介 1 9 1 0 年英国植物学家马克比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流， 其采用铂作为电极，并把电极放到大肠杆菌和普通酵母菌培养液里，成功制造 了世界上第一个微生物燃料电池【6 1 。但是直到1 9 6 6 年这一领域发展缓慢。2 0 世纪9 0 年代，能源需求和燃料电池技术的迅猛发展，推动了m f c 的发展，使 m f c 成为新的热门。但是初期研究者使用中性红和甲基兰等化学物质充当微生 物与固体之间的电子阶梯，即所谓的间接型m f c ，这类m f c 无论在应用方面 还是技术都不具备明显的优势。直到1 9 9 9 年，k i m 研究小组首次证实阳极微 生物的直接传递电子现象【7 ，8 】即直接型m f c 理念的诞生，从而给m f c 的研究带 了新的曙光。 微生物燃料电池( m f c ) 是一种利用微生物作为催化剂将有机质化学能转 变为电能的新颖技术装备。在正常的微生物代谢作用下，最初底物( 以葡萄糖 为例) 在没有氧气参与的情况下被氧化，同时电子被具有氧化还原活性的介体 吸收【9 1 。m f c 中微生物利用底物，并产生h + 和e 。h + 通过阴阳室间的质子交换 膜进入阴极室，而电子则通过外电路到达阴极。在阴极室，h + ，e 和氧气( 或 其它氧化剂) 反应生成水( 图1 1 ) 。这为将有机物化学能直接转化为电能提供 了一种新的方法。 阳极反应c 6 h 1 2 0 6 + 6 h 2 0 6 c 0 2 + 2 4 h + + 2 4 e 。e o = o 0 1 4 v ( 式1 - 1 ) 阴极反应6 0 2 + 2 4 h + + 2 4 e _ 1 2 h 2 0e o = 1 2 3 v ( 式1 2 ) 魅 辑 瓶子碧丧冀 图1 1m f c 原理图 f i g 1 - 1p r i n c i p l eo fm f c 1 3m f c 国内外研究进展 1 3 1 微生物燃料电池底物的研究进展 在m f c 中，基质为影响m f c 产电的重要生物因素之一。很多物质都可以 作为m f c 的底物，其中不仅包括一些简单的有机物( 比如葡萄糖) 还有一些 污水中的复杂有机物。 1 简单的有机物： 2 ( 1 ) 醋酸盐 目前为止，在大多数微生物燃料电池研究中，醋酸盐已成为产生电流的重 要底物。首先是因为大多数电活性细菌都能以醋酸盐为碳源；其次，醋酸盐在 室温条件下为不发酵的基质；此外，醋酸盐还是很多多糖( 比如：葡萄糖代谢) 的终产物【1 0 】。l i u 构建以醋酸盐为底物的单室m f c 获得的电能输出( 5 0 6 m w m 2 ，8 0 0r a g l ) 要比以丁酸盐为底物获得电f l 邕( 3 0 5m w m 2 ，1 0 0 0r a g l ) 高 6 6 i l l 】。2 0 0 9 年，l i u 还将醋酸盐与富含蛋白质的污水进行了比较，前者获得 的电能比后者高二倍，前者的最佳负载只有后者的一半【l2 。富含蛋白质的废水 成分复杂，当以蛋白质为底物时，m f c 系统内能够富集更丰富的微生物种群。 微生物多样性时能够利用各种不同的有机物同时还能将复杂的有机物分解成简 单的有机物( 比如：醋酸盐) 。最近，c h a e 对以醋酸盐、丁酸盐、丙酸盐、葡 萄糖这四种物质为基质的m f c 性能( 库伦效率以及电能) 进行了比较，结果 表明醋酸盐为底物的m f c 获得的c e 最高为7 2 3 ，其次为丁酸盐4 3 0 ， 丙酸盐3 6 0 ，最后为葡萄糖1 5 0 i l 川。 ( 2 ) 葡萄糖 葡萄糖是另一种常见的m f c 底物。k i m 等人研究表明：碳源是影响m f c 性能因素之一。以葡萄糖为底物的m f c 启动时间短于以半乳糖为底物的 m f c 1 4 1 。r a b a e y 等人报道以1 0 0m m 铁氰化钾为阴极氧化剂，葡萄糖为阳极底 物的微生物燃料电池获得的最大功率体积密度为2 1 6w m 3 【1 5 j 。h u 探讨了厌氧 污泥作为m f c 底物的可行性，并将其与以葡萄糖为底物的m f c 性能进行了比 较。厌氧污泥只能提供有限的碳源，且m f c 获得的功率密度较低( o 3m w m z ) 【16 1 。但是，在相同条件下，葡萄糖可以产生1 6 1m w m 2 的功率密度【1 7 】。在另 一项研究中，以醋酸盐为底物的m f c 获得能量转化效率( e c e ) 达4 2 ，比以葡 萄糖为底物的m f c e c e 高3 9 ，且后者产生的能量密度也较小i l 引。c h a e 等人 研究表明，以葡萄糖为底物的m f c 获得的库伦效率最低。库伦效率较低的原 因是微生物竞争导致的电子流失。传统的厌氧污泥中的大多数微生物为发酵细 菌、产甲烷细菌以及硫细菌。而葡萄糖是一种可发酵的物质，非产电细菌( 发 酵细菌、产甲烷菌) 利用葡萄糖发酵或者产甲烷，这部分碳源被不会产电细菌 利用产生电能【l 川。 2 木质纤维素类生物质 木质纤维类物质来源丰富且可再生，为应用前景广泛的能源发电的原料之 一 1 8 1 。但是，木质纤维素类生物质在被微生物利用之前需将其转化为单糖或 其他低分子量物质【1 9 1 。c a t a l 等人研究表明木质纤维素类生物质水解产生的单糖 都能用作m f c 的底物【2 们。这时要求m f c 系统中的微生物既要能分解纤维素又 能产电。当以玉米秸秆为m f c 底物时，需先将玉米秸秆通过中性或者酸性蒸 汽将半纤维素水解转化成可溶性的糖【2 1 1 。卢娜以玉米淀粉生产过程中的浸泡液 3 ( 玉米浸泡液) 作为接种液和基质，利用“三合一 膜 生物燃料电池进行试验。结果表明：利用玉米浸泡液为 电能，稳定期最大输出功率可达1 6 9 6m w m 2 【2 2 1 。最近 池中以玉米秆作为底物，其电力输出要远低于以葡萄糖 为微生物燃料电池的底物且浓度为1 0m m o l l 时，m m w m 2 要低于以相同浓度葡萄糖为底物获得的功率密度( 9 7 m w m 2 ) ，因此木 糖要比葡萄糖难于产生电力 2 4 1 。 3 酚类难降解有机物 m f c 不仅在去除简单有机物上获得了较高的去除速率，而且在去除难降解 物质上取得了很好的效果。骆海萍等人报道了微生物燃料电池不仅能够降解苯 酚还能产生电能。以苯酚为单一底物的m f c 获得电能和库伦效率要都低于以 葡萄糖为底物的m f c l 2 5 】。温青考查了微生物燃料电池( m f c ) 对对硝基苯酚的降 解效果及m f c 的产电特性f 2 们。结果表明m f c 对废水中不同浓度的对硝基苯 酚均有一定的去除效果，4 0 0 m g l 的对硝基苯酚降4 d 的去除率7 4 1 ，降解 6d 的去除率为8 2 1 。m f c 的输出电压最高为0 2 9 3v ( 外阻1 0 0 0q ) ，最大输 出功率密度为5 6 5m w m 3 。顾荷炎探讨了阴极室协同处理含氯酚废水的效果， m f c 获得最大电池输出功率密度1 2 4m w m 2 ，库仑效率达到2 2 7 2 7 j 。同时， 阴极室降解污染物的效果明显，4 5h 内6 0m g l 的对氯酚被完全还原。汪家权 等人构建了双室m f c 并探讨运行条件对降解苯酚的影响【2 引。还有研究者运用 m f c 降解苯【2 9 1 、以及吡啶【3 0 】等难降解的物质。j i n 等人将m f c 运用到原位修 复石油污染物中。此m f c 基本上能引起间接氧化，通过石油化合物的电子转 移，厌氧降解地下水中的污染物，阴极暴露在氧气或者接近地表。而且m f c 与厌氧降解法相比获得了更高的污染物降解率f 3 1 1 。结果表明，微生物基团能够 以石油污染物为底物同时也将电子传递到阳极，从而产生能量。p h a m 报道了 用包含在微生物燃料电池中的a n o d o p h i l i c 菌降解1 ，2 二氯乙烷【3 列。 4 排放的污水 ( 1 ) 啤酒厂废水 啤酒厂废水是研究者们比较青睐的一种m f c 底物，主要是因为其浓度较 低。尽管啤酒厂废水浓度的不一样，其浓度范围一般c o d 为3 0 0 0 - 5 0 0 0m g l ， 大约是家用废水的1 0 倍【3 3 】。另外啤酒厂废水是粮食的代谢产物，含有大量的 碳元素且低浓度的铵盐，因此啤酒废水是m f c 的理想底物。f e n g 以啤酒废水 作为底物构建的空气阴极m f c ，当向废水中加入5 0m m o l l 磷酸盐缓冲溶液时 得到的最大功率密度为5 2 8m w m 2 。在相同情况下，啤酒废水产生的最大功率 密度要比相同浓度的家庭废水产生的功率密度要低。可能是因为两种废水的导 电率不同【3 4 1 。 ( 2 ) 垃圾渗滤液废水 4 垃圾渗滤液污染严重，成分复杂，含有四种不同的污染物：溶解性有机物、 无机物、重金属和一些抑制型有机物1 3 5 1 。1 9 9 1 年，h a b e r m a n na n dp o m m e r 首次 利用生物燃料电池来去除垃圾渗滤液废水，尽管电池并没有电流输出f 3 6 1 。z h a n g 等人采用上流式空气阴极m f c 去除垃圾渗滤液，m f c 在5 0h 获得最大体积功 率密度为1 2 8w m 3 【3 7 1 。j o h n 成功构建了以垃圾渗滤液为底物的m f c ，在去除 垃圾渗滤液的同时还有电能的输出1 3 引。但总的来说，利用m f c 去除垃圾渗滤 液的效果不是很好，特别是垃圾渗滤液中能被微生物利用的电子受体较少。另 外，垃圾渗滤液中含有一些替代性电子受体如硝酸盐、硫酸盐等，而这些电子 受体直接影响着m f c 的电能转化效率。 ( 3 ) 淀粉加工废水 淀粉加工废水含有相对较高的碳水化合物( 2 3 0 0 3 5 0 0m g l ) ，糖( 0 6 5 一1 18 ) 、蛋白质( 0 1 2 0 1 5 ) 、以及淀粉( 1 5 0 0 2 6 0 0m g l ) ，这些能量丰富的能 源都能转化为很多有用的物质【3 9 j 。l u 以淀粉加工废水( c o d4 9 0 0m g l ) 为底 物构建的m f c 运行了四个周期，获得了最大电压和功率密度分别为4 9 0 8m v 、 2 3 9 4m w m 2 。但是库伦效率只有7 。库伦效率较低原因是氧气从阴极扩散到 阳极【4 0 1 。 ( 4 ) 染料废水 最近研究者试图以染料废水为底物构建m f c 达到脱色的效果。s u n 等人研 究表明当葡萄糖和糖果废水共基质条件下，m f c 能够加速a b r x 3 的脱色。 a b r x 3 的脱色速率不受初始染料浓度( 最高浓度甚至达1 5 0 0m g l ) 的影响， 但以葡萄糖为底物的m f c 输出电能受到染料浓度的影响【4 。 5 无机物和其他物质 除了以上涉及这些物质，一些其他的物质也可以为微生物燃料电池的底物。 通过阳极硫化合物氧化产生电流已经有所报道【4 2 l ，其电力密度为3 9m w l 。 h u a n g 和l o g a n 报道了以纸张回收废水为底物的微生物燃料电池的效力，在废 水经过磷酸盐缓冲溶液处理后得到的最大电力密度为6 7 2m w m 2 。但是未经过 处理的废水，电力输出只有1 4 4m w m 2 ，主要是因为低导电率【4 3 1 。在单室微生 物燃料电池加入脱硫弧菌消除硫酸盐和硫代硫酸盐也已经有所报道并且产生的 最大电流为0 1 1 5m a c m 2 4 4 j 。 1 3 2m f c 阴阳极材料 1 阳极 m f c 阴阳极材料制约着m f c 的推广。m f c 中目前应用的电极需要很大的 表面积来提供微生物生长繁殖的场所，其次还需要可靠的结构强度来承受水力 和生物膜的压力。阳极材