3.“挑战杯”预赛申请书

3.第十届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛华南农业大学校内选拔赛报名表申报者情况姓 名刘仁杰性别男出生年月1986-06-06所在学院资源环境学院现学历（在读）本科专 业环境工程年级2004学制4 年入学时间2004.09作品全称微生物燃料电池处理城市生活污水的应用研究作品类别自然科学论文作品所属领域K住 址华南农业大学东区学生公寓5-605宿舍电话61307948手机号子信箱Alex.RoyceG合作者情况姓 名性别年龄最高学历所在单位方淑敏女21本科华南农业大学资源环境学院甄豪波男20本科华南农业大学资源环境学院闵 江男21本科华南农业大学资源环境学院胡思义女21本科华南农业大学资源环境学院作品的目的和基本思路我国能源供给来源主要是以石油、煤、天然气、核能、水力发电等。至于其他能源如太阳能、风能、地热能、生质能等仍是小规模或是实验阶段，尚未商业化使用。积极开发新的能源变成了现阶段最迫切的课题。在环境污染已成为每个人都不得不面对的问题，当 “矿物能源枯竭”已不再是天方夜谭的时候，一种清洁高效的能源走进了人们的视野，它就是微生物燃料电池。自工业革命以来，污水处理一直是困扰发达国家和发展中国家的一大难题，因为它耗费巨大，完全是个只投入、不产出的行业。而新型微生物燃料电池不仅可以净化水质，还可以发电，它的出现有望把污水处理变成一个“有利可图”的产业。虽然目前该产品还在不断改进，尚未投入商业化生产，但我们完全有理由相信它拥有广阔的发展前景。作品的科学性、先进性及独特之处（设计、发明写出其技术关键和主要技术指标）（一）、微生物燃料电池为人们所重视，自然有它的独特特点：1、原料广泛。可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、无机物质作为燃料，甚至可利用光合作用或直接利用污水等。也就是说，地里的高粱秆，吃剩的香蕉皮，甚至是洗菜水都可以转变成电能。2 、操作条件温和。一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作的。这使得电池维护成本低、安全性强 。微生物的培养通常不需要苛刻的条件，只需要“一箪食，一瓢饮”，而燃料电池也只是加了容器和两个电极罢了。3、资源利用率高，无污染。既然微生物可以利用如此多的有机原料和无机原料，那么就不必担心要像烧火炉一样每天掏灰，而且不像直接燃烧那么乌烟瘴气，能量利用率也上了一个台阶。（二）、本项目特色：对国际上最先进的污水处理技术MFC污水处理技术进行跟踪研究和优化研究。在对其污水处理基本特性和电力产出特性进行摸索后，对MFC的构型进行整体优化和创新，并将其应用于城市生活污水处理。（三）、本项目的创新之处：1、采用自行设计的MFC进行城市污水的研究实验。2、国内首次在连续进水条件下研究MFC对城市污水COD的去除效率和发电效率。 作品的实际应用价值和现实意义MFC利用废水中的COD来发电的效率不高，相当一部分COD的去除靠其他厌氧微生物，如产甲烷菌。到目前为止，最长的连续运行周期为两年，其稳定性仍需进一步验证。与已有的厌氧污水处理技术（如UASB）相比，MFC的处理负荷和处理效率都较低。这些都说明，MFC的研究还处于起步阶段，但其可以在去除污染物的同时直接实现电力输出的特性将吸引越来越多的研究者的关注。随着研究的深入开展，更高效的微生物的富集和更合理的设计构型的开发，MFC的输出功率和对污染物的去除效率一定可以大大提高，其应用前景非常广阔。如MFC有望用于小型汽车、船舶，不充电连续运转并可作为边远地区或军事特备使用的小型发电设备，以及制糖，乳制品工业废水，家庭厨余垃圾的处理等。有理由相信随着生物科学、电化学等相关学科的发展，微生物燃料电池必将在人类的能源史上展开新的篇章，带给我们美好的未来。文章摘要（技术、发明写出作品的技术特点和优势，提供该作品的适用范围及推广前景的技术性说明）（一）微生物燃料电池（MFC）简介：MFC与燃料电池原理相似，但可以利用比甲醇或氢更复杂的燃料。细菌在分解有机物的时候，将电子传送到电池的阳极，同时将质子传送到电池阴极，用导线在电池之外将两个电极连接起来，质子和电子结合就可以产生氢，反应的最终产物还有水和二氧化碳。其研究早在二十世纪七十年代就有开展，而1991年则出现了利用MFC处理城市生活污水的报道。但是，直到最近MFC输出功率不断增加，才使其有望应用于实际生活。MFC以自然界的微生物或酶作为催化剂直接将燃料中的化学能转化为电能。其原理是：微生物可以通过各种途径从燃料（葡萄糖，蔗糖，乙酸盐，废水等）中获取电子，并将电子从还原性物质（比如葡萄糖）转移到氧化性物质（比如氧）以获取能量。 获得的能量可以按下式计算：G=-nFE；G：表示获得的能量；n：电子转移的数量；F：法拉第常数，96485 C/mol；E：电子供体和受体间的电势差；对厌氧菌（或某些兼性菌）来说，无法将电子传递给氧，而将电子转移到MFC的阳极上会比把电子提供给其他受体（如硫酸盐）获得更多的能量，因此微生物会选择将电子转移到阳极上，从而实现MFC的电流输出。（二）项目研究的基本内容与实施方案：对国内外已有的研究资料进行查阅研究，选取性能较好而且成本最低的单室型微生物燃料电池（MFC）作为研究对象。选用自己设计的单室型MFC，对人工配制污水（COD浓度200mg/l左右）进行处理研究。研究基本内容包括： 1、MFC处理污水和电力输出的基本特性研究。MFC污水处理性能研究包括接种物，有机负荷，COD去除率等。MFC电力输出基本特性研究包括MFC的输出电流，输出功率，库仑效率等。 2、MFC构型的优化研究。包括MFC阴极和阳极的优化，阴极和阳极距离的优化，外阻的优化，整体构造的优化等。 3、MFC运行最佳条件研究。包括运行方式（序批式运行和连续运行），运行温度等。 4、将构型优化后的MFC应用于城市生活污水的处理研究。在以上研究中得出的最佳运行条件下对MFC处理城市生活污水的COD去除性能和产电性能进行研究。 （三）MFC的性能评价：MFC在环境污染治理方面有广泛的应用前景，可做BOD生物传感器，可以对受污染的地下水进行生物修复，可直接进行污水处理，将其用于污水处理并发电的研究最多。下图是两种为处理污水而设计的新型MFC。C空气阳极回流阴极进水出水图1 UMFC图示（A）和其实验室反应器照片（B）；平板式MFC（C） 图1左侧是由一种以污水处理和发电为主要目的上流式微生物燃料电池（UMFC）。5个月的运行表明，UMFC可以连续产生电流，功率密度最大为170mW/m当有机负荷增加到2gCOD/L/d后，功率密度不再增加，内阻是限制因素。当嗜阳极微生物无法把所有的有机物转化为电能时，多余的基质为产甲烷菌的生长创造了条件。事实上，在整个运行阶段，溶解性COD的去除率一直在90以上，这就是产甲烷菌存在所致。当有机物容积负荷为1gCOD/L/d，3558的溶解性COD去除是由产甲烷菌完成的。而平板式MFC的构型较特殊，将阳极PEM阴极热压在一起，以增强质子在两电极间的传递，同时有利于废水的连续处理。使用市政污水接种，培养1个月，当HRT为1.1小时，COD去除率42，平均功率密度721 mW/m2，HRT为4小时，COD去除率79，平均功率密度431 mW/m2。（四）MFC前景展望 由于电池性能指标包括电池的内电阻的阻值的大小，输出、输入功率之比（亦称为外电压和内电压之比）的比值高低，并且当内外电阻相等时，电池效率获得最大。因此目前已知的影响MFC运行效率的主要因素有：微生物（菌种）的活性以及一定环境中的新陈代谢，微生物的电子转移，PEM的性能，电解液的内阻，氧在阴极被还原的效率，反应中的副反应。而这些影响因素大都会直接影响电势损耗。原因有两个：一是由于电极的极化，即在电极上所产生的电子传递阻力；二是由于MFC的内阻。此外对于含有介体的MFC还应当考虑下面几个方面的内容：容易与生物催化剂及电极发生可逆的氧化还原反应；氧化态和还原态都较稳定，不会因长时间氧化循环而被分解；介体的氧化还原电对有较大的负电势，以及电池两极有较大的电压；有适当极性以保证能溶于水且易通过微生物膜或被酶吸附。评价城市生活污水处理效率的主要指标有：污水中悬浮物的去除率，DO值，CODCr，BOD5，还有污水中细菌菌落数目，微生物含量以及其毒性。此外，污水处理所用的时间和成本也是应当考虑在内的。去除悬浮物的城市生活污水中除含有氮、磷等元素外，还含大量有生物体的主要组成元素碳。而且，其主要存在形式是有机物。由于MFC主要是已有机物中的碳来作为电子受体来直接或间接氧化氧来获得电能的。因此，评价MFC的一个重要指标就是生物化学需氧量（BOD）。作品在何时、何地、何种机构举行的会议上或报刊上发表及所获奖励（技术、发明写出专利情况）暂无 推荐教师意见该项目选题新颖，紧跟国际环境科学领域研究的焦点问题和最新技术，具有很强的科研意义和应用价值；课题组成员学习成绩优秀，对科研有浓厚的兴趣、扎实的基础知识和较强的动手能力；项目申请书对