产电菌的分离及不同温度下MFC产电特性的研究

论文摘要

微生物燃料电池（MFC）是一种利用生物质及微生物进行电能生产的新型装置。将MFC用于废水处理,利用微生物作为催化剂将有机废水中的化学能转化为电能,在废水得以处理的同时又将能源回收利用,这对实现可持续发展起着重要的作用。温度和阳极催化剂（产电细菌）是影响MFC性能的重要因素,有必要对其进行深入的研究。本论文首次研究了30oC、20oC和15oC下MFC的性能,并从不同温度的反应器中分离了产电菌,对其产电性能进行了验证。本实验以单室空气阴极微生物燃料电池为研究对象,阳极为多孔碳布,以含0.35mg/cm2的Pt催化剂的防水碳布作阴极,用钛丝连接阴阳极,在1000?外电阻下运行。产电菌种来源于市政管网中的生活污水,启动时以1g/L的葡萄糖为底物,运行稳定后以生活污水作为唯一碳源。在其他条件保持不变的前提下,30oC、20oC和15oC最大的电压输出分别为434.3mV、382.8mV和297.0mV ,最大的能量密度分别达到367.7mW/m2、260.1mW/m2和166.0mW/m2,COD去除率则分别为71.4%、67.3%和66.2%,库伦效率分别为42.2%、25.1%和18.4%。结果表明温度对能量密度和库伦效率等都有明显的影响。采用兼性厌氧滚管分离技术,分别对不同温度下稳定运行的MFC阳极生物膜进行菌种分离,并将分离到的纯菌接入灭菌的反应器中进行产电性能的验证。不添加电子受体且以营养肉汤为底物,分离出41株纯菌。其中2株纯菌（30oCNo.10和20oCNo.13）产电性能最优,电压分别为213mV和212mV,能量密度为71.4mW/m2和67.9mW/m2。SEM观测显示这两株菌,均为短杆菌,大小为几十μm,且长有鞭毛。加入柠檬酸铁和氧化铁作为电子受体,增强了培养基的营养配比后再次分菌,将得到的7株纯菌以1g/L的葡萄糖作为底物,进行产电性能的验证。其中菌株A1的最高电压为328mV,其余6株的最高电压均在200250mV。B1的能量密度为228.8mW/m2,与无电子受体分离到的纯菌相比,功率密度提高了3倍以上。利用交流阻抗法分析了纯菌MFC的内阻,结果表明各个MFC欧姆内阻基本相同,总内阻的差异主要来自阳极电荷转移电阻,与纯菌的产电性能直接相关。B1内阻最低（802Ω）,其功率密度最高（228.8mW/m2）,即内阻- I -越低,功率密度越高。循环伏安曲线显示氧化还原峰高、峰面积以及氧化还原电位的高低与纯菌产电性能成正比。原子力显微镜照片显示,7株纯菌中有6株杆菌,1株球菌,均无鞭毛。利用气相色谱分析细胞中的脂肪酸鉴定了产电性能良好的菌株A1和B1,证明A1为致病杆菌属;B1为枯草芽孢杆菌。测量了A1、B1的部分生理生化指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 MFC的特点
• 1.3 MFC的国外研究现状
• 1.3.1 MFC的发展历程
• 1.3.2 MFC在废水处理领域的发展
• 1.3.3 MFC中产电菌分离的研究进展
• 1.3.4 MFC产电机理的研究进展
• 1.4 MFC应用及挑战
• 1.4.1 MFC的应用
• 1.4.2 MFC所面临的挑战
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 实验的原理与方法
• 2.1 MFC各参数的监测方法
• 2.1.1 COD的测定方法
• 2.1.2 反应器电压值的实时监控与采集
• 2.1.3 交流阻抗法测量MFC内阻
• 2.1.4 极化曲线的原理与方法
• 2.1.5 循环伏安法分析氧化还原特性
• 2.2 分析与计算
• 2.2.1 COD去除率
• 2.2.2 内阻的测算
• 2.2.3 能量密度的计算
• 2.2.4 库仑效率的分析
• 2.3 产电细菌的分离培养与验证原理
• 2.3.1 产电细菌的分离
• 2.3.2 细菌产电性能的验证
• 2.4 纯菌的鉴定与表面形态的观察
• 2.4.1 细菌全细胞脂肪酸分析
• 2.4.2 扫描电镜样品制备方法
• 2.4.3 原子力显微镜原理与样品的制备方法
• 2.5 产电菌的生理生化特征
• 2.6 实验的技术路线与研究内容
• 第3章 生活污水MFC在不同温度下性能的研究
• 3.1 反应器的构型与接种
• 3.1.1 单室空气阴极MFC的构建
• 3.1.2 溶液组成
• 3.1.3 MFC运行
• 3.2 各温度下MFC的产电特性研究
• 3.2.1 输出电压
• 3.2.2 输出功率密度的测定
• 3.2.3 阴阳极电势的变化
• 3.2.4 COD去除率与库仑效率的比较
• 3.2.5 离子强度对MFC产电性能的影响
• 3.2.6 交流阻抗（EIS）分析反应器内阻
• 3.3 温度对MFC性能的影响分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 产电细菌的分离与产电特性研究
• 4.1 未添加电子受体分离阳极产电细菌
• 4.1.1 兼性滚管分离
• 4.1.2 纯菌的产电特性研究
• 4.1.3 纯菌的形貌特征
• 4.2 添加电子受体分离阳极生物膜
• 4.2.1 培养基的营养优化及电子受体的选择
• 4.2.2 纯菌的产电特性研究
• 4.2.3 循环伏安法测量氧还特性
• 4.2.4 交流阻抗（EIS）分析纯菌反应器内阻
• 4.2.5 原子力显微镜（AFM）观察纯菌形态
• 4.3 两种分菌方法的比对与总结
• 4.4 本章小结
• 第5章 A1、B1 的脂肪酸鉴定及其生理生化特性
• 5.1 气相色谱分析细胞中脂肪酸鉴定细菌
• 5.1.1 脂肪酸鉴定细菌的原理
• 5.1.2 实验方法
• 5.1.3 配套设备
• 5.1.4 文库
• 5.1.5 鉴定结果
• 5.2 菌株 A1、B1 部分生理生化特性的研究
• 5.2.1 最适生长温度
• 5.2.2 厌氧性测定
• 5.2.3 碳源的利用
• 5.2.4 耐盐性和需盐性
• 5.2.5 柠檬酸盐利用
• 5.2.6 革兰氏染色
• 5.2.7 荧光色素
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文