论文部分内容阅读
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)系统是一利用微生物的催化作用，将燃料中的化学能转变为电能的电化学系统。传统的阳极厌氧MFC在降解有机物回收能量过程中虽库伦效率(Coulombic Efficiency，CE)高，但反应周期长。若将其应用于污水的处理，处理时间长且效果不佳。为了权衡MFC产电和污水处理效率，本文采用空气阴极型MFC探索耐氧型微生物的能量输出和污水处理特性。首先采用空气阴极型MFC进行阳极曝气实验发现MFC在曝气过程中仍能能量输出和阳极室中耐氧型微生物的存在，这表明长期的阴极氧渗透作用在阳极室形成了好氧或兼性环境。其次采用好氧启动的方式培养耐氧型微生物，相比较厌氧启动的MFC，以乙酸钠、乙醇和葡萄糖分别为碳源时，耐氧型MFC在降解乙醇时表现出了优势。最后应用耐氧型：MFC研究乙酸钠、2，4-D混合碳源对2，4-D去除的影响。结果表明： (1)考察了普通MFC的阳极生物膜的耐氧特性。对阳极室进行间歇曝气除了降低CE外，对能量输出基本没有影响。在连续曝气过程中，阳极室溶解氧浓度高达2.5-4mg/L时，MFC也可产生0.35-0.41V的最高电压(外阻1000Ω)。在停止长达420h的连续曝气后，MFC可以迅速恢复到原来的能量输出水平，能量密度可达到85±5mW/m2。对照曝气前，阳极曝气引起了阳极微生物群落的显著下降，主要有Burkholderia sp.，Bacteroidetes sp.，Simplicispira sp.，Rhodocyclaceae sp.和.Microbacterium sp.菌群。在厌氧条件下富集的MFC表现出了对氧的抵抗性和在兼性或好氧条件下进行能量输出的能力。 (2)研究了厌氧或好氧挂膜启动方式对耐氧型微生物的培养及产电、降解性能的差异。好氧启动过程中仍有微生物的生长和电能的输出，表明阳极室中确实存在耐氧型产电微生物。在以乙酸钠、葡萄糖、乙醇分别为基质时，好氧启动MFC电压均维持在0.40±0.02V左右且降解乙醇时表现出相对厌氧启动MFC的降解和产电的优势。通过电镜发现厌氧启动MFC中真菌的大量存在，好氧启动方式则抑制了该类微生物的富集生长，减少了对产电菌的竞争。对照厌氧启动，好氧启动系统阳极微生物数量显著降低，且在阳极室中主要为Clostridium Sticklandii Strain、Pseudomonas sp.，菌群，这可能是在高溶解氧条件下形成的高耐氧性的菌群。 (3)利用MFC系统实现了2，4-D的去除和矿化。MFC可以利用乙酸钠和2，4-D混合碳源实现产电和2，4-D的去除，且最高电压主要由2，4-D浓度决定，与乙酸钠浓度关系不大，同时乙酸钠浓度高低决定运行周期的长短。2，4-D单独作碳源时，没有能量输出但有2，4-D的去除且阳极室中乙酸钠存在时可促进2，4-D的降解。这也直接表明了MFC中乙酸钠和2，4-D的关系：乙酸钠主要被微生物利用进行电能的产生，2，4-D的存在一方面抑制了微生物的活性，降低了最高输出电压；另一方面2，4-D可以在MFC系统中同时被去除且乙酸钠的存在会加快去除速率。 (4)采用阳极前期曝气构建的好氧.厌氧一体式的MFC系统可有效的实现能量输出和2，4-D的高效去除，同时前期曝气还可大大缩短运行周期，提高了整个系统的污水处理效率，为MFC系统应用于实际污水处理提供了技术支持。 (5)MFC系统以乙酸钠、乙酸钠+2，4-D、2，4-D为碳源时，阳极微生物群落结构表明：微生物的结构随基质的种类动态变化，表现出更好的适应能力。尤其是2，4-D的加入，促使了能够降解杀虫剂或农药类的菌群Comamonas sp.和Variovorax sp.逐渐凸现出来，可见MFC基质的选择对于筛选特定的微生物菌种有一定的实际操作意义。