人工湿地-微生物燃料电池中电极研究进展

【目的】近年来,人工湿地(CW)与微生物燃料电池(MFC)相耦合,形成了一种新型的生物电化学系统——人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC),具有出色的污染物降解和生物发电性能。本文旨在总结电极的特性和应用,介绍不同电极材料对系统的影响,最后对其未来的研究方向提出展望。【方法】结合国内外最新的研究成果。【结果】总结了电极的功能特性和应用,介绍了不同电极材料在废水处理过程中的性能差异以及对发电效率的影响,并对其未来的研究方向提出了展望,为CW-MFC的技术发展作进一步参考。【结论】CW-MFC是一种具有广泛应用前景的生物电化学系统。未来研究方向包括优化电极材料、提高系统运行效率、降低成本等方面。同时,还需要加强在实际应用中的研究,以推动该技术在环境保护和能源领域的应用。

复合垂直流人工湿地-微生物燃料电池耦合系统产电性能和水质净化

人工湿地(CW)和微生物燃料电池技术(MFC)是两种具有潜力的环境技术,用于水污染治理和可再生能源生产。目前大部分研究主要针对上流式人工湿地-微生物燃料电池进行探索,很难用到实际的人工湿地上。主要以垂直流人工湿地为研究对象,研究复合垂直流人工湿地-微生物燃料电池耦合系统的产电性能和水质净化作用。结果表明,在相同的垂直流CW-MFC系统中,产电性能和水体污染物的含量有一定的关系;在模拟自然的水流情况下,CW-MFC1阳极生物氧化产生的质子和电子迁移至CW-MFC2的阴极也能同其电子受体发生氧化还原反应,从而产生电压电流,且其电压高于单一垂直流CW-MFC系统;模拟自然情况下的CW-MFC系统对各项水质指标的去除都有不错的去除效果,其中磷酸盐和总磷的去除率为97.5%和97.9%,氨氮和总氮的去除率为86.4%和66%,COD去除率最低为36.5%,表明复合垂直流CW-MFC系统对水体污染物的去除起明显的效果。

人工湿地微生物燃料电池构型对低温氨氮去除性能的影响

针对人工湿地在冬季低温条件下氨氮去除率下降的问题,提出构建人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC)的方法来提高人工湿地低温条件下的氨氮去除性能,并考察了CW-MFC构型对低温下氨氮去除性能的影响。120 d的室外连续运行结果表明,在平均气温9.8℃运行60 d,CW-MFC比传统湿地的氨氮去除率提高9.9%。在CW-MFC中添加玻璃纤维作为分隔材料并采用双阳极结构,氨氮平均去除率可以达到81.8%。在CW-MFC产电期间,CW-MFC的容积脱氮效率与输出电压存在较好的相关关系。

石油污染土壤处理新技术——植物型微生物燃料电池的适用性

石油在炼制、储运和使用过程中对土壤造成污染,处理难度高。针对这一问题,以受石油污染的土壤为阳极底泥,构筑植物型微生物燃料电池(PMFC)。通过检测输出电压、功率密度、表观内阻和石油去除率,对电池植物和电极材料进行优选,并用优化后的PMFC探究其适用性和石油含量的范围。结果表明,绿萝在PMFC的厌氧环境中不能成活,而白鹤芋-PMFC的产电性能和降解性能均优于香菇草-PMFC;碳毡-PMFC的产电性能和降解性能较碳海绵-PMFC有明显的提升。以白鹤芋为电池植物、碳毡为电极材料的PMFC适用于石油含量为1~15 g/kg的污染土壤,并且随着石油含量的增加,PMFC的产电性能和降解性能均呈现出先升高后降低的趋势,最佳石油含量适用范围为5~10 g/kg。PMFC技术为石油污染土壤处理提供了一种新的思路,能在有效处理土壤污染问题的同时发电,实现双赢。

不同阳极设置对人工湿地-微生物燃料电池脱氮及产能的影响

人工湿地-微生物燃料电池(constructed wetland-microbial fuel cell,CW-MFC)耦合系统是人工湿地和生物电化学技术的有机结合,其中阳极是限制耦合系统输出功率和污染物净化性能的关键因素。构建了未加入颗粒活性炭(CW-MFC1)和加入颗粒活性炭(CW-MFC2)2套耦合系统以探讨阳极加入颗粒活性炭对耦合系统产电和脱氮性能的影响,并利用高通量测序技术对比分析2套系统阳极和阴极微生物群落组成。结果表明:CW-MFC2耦合系统的输出电压和最大功率密度(430 mV,8.39 mW/m^(2))高于CW-MFC1(379 mV,7.77 mW/m^(2))。试验运行前期(0~29 d),CW-MFC2耦合系统的氨氮去除率为65.72%±3.06%,显著高于CW-MFC1(56.06%±3.71%),而二者的总氮去除率相差不大;随着时间的推移(30~105 d),CW-MFC1耦合系统的氨氮和总氮去除率逐渐高于CW-MFC2,尤其是总氮去除更为显著(CW-MFC1为42.69%±4.19%,CW-MFC2为32.50%±11.51%)。高通量测序结果表明,CW-MFC1阳极富集的不动杆菌属以及阴极大量的反硝化菌(巨大芽殖杆菌属、地杆菌属、黄杆菌属、不动杆菌属和脱氯单胞菌属等)的富集可能是其脱氮性能优于CW-MFC2的主要原因。综上,阳极加入颗粒活性炭可提升CWMFC耦合系统的产电性能,但不利于生物脱氮过程。

人工湿地-微生物燃料电池处理废水的研究进展

介绍了人工湿地-微生物燃料电池系统的脱氮原理、净化多类废水(含铬废水、含酚废水、高盐度废水、抗生素废水及含氮废水等)的效能,总结利用人工湿地-微生物燃料电池的方法处理这几种废水的研究现状,并分析了影响人工湿地-微生物燃料电池处理效率的因素(水力停留时间、湿地植物与微生物、电极和温度等),最后分析其产电特征以期为人工湿地-微生物燃料电池系统在处理废水的应用中提供参考。

人工湿地微生物燃料电池处理海水淡化浓盐水研究进展

综述了人工湿地耦合微生物燃料电池(CW-MFC)处理浓盐水的研究现状,分析了植物、微生物、电极、基质及运行环境等对CW-MFC处理效果的影响,总结了CW-MFC处理海水淡化浓盐水当前存在的问题,并对未来的研究方向进行了展望。

不同湿地植物构建植物沉积型微生物燃料电池的研究

考察了粉黛万年青、小白掌、金边富贵竹、鹅掌柴4种湿地植物构建植物沉积型微生物燃料电池(Plant-Sediment Microbial Fuel Cell,Plant-SMFC)对电池基础特性的影响。试验结果表明:粉黛万年青、小白掌、金边富贵竹均可用来构建Plant-SMFC,并能显著提高SMFC的产电性能,其中小白掌电池组产电性能最优,Pmax为14.0 mW/m2,是空白的2.5倍。鹅掌柴在电池运行过程中烂根,不适合构建Plant-SMFC。阴阳极电极电位分析表明,各电池组输出电压的差异主要在于阳极电位的变化不同,而阴极电位变化基本一致且均在后期产生了一个大的跃迁,采用LSV验证了该跃迁的原因。最后利用HPLC分析证明了根系分泌有机酸的种类及含量与产电水平成正比,其中小白掌分泌有机酸种类及含量最多,有机酸总量达1.292 mg。

湿地型微生物燃料电池处理废水及同步产电研究

利用芦苇构建单室湿地阴极型升流式微生物燃料电池(microbial fuel cell-constructed wetland,MFC-CW),研究阴极基质材料的种类、粒径及进水COD浓度对MFC-CW的产电和污水净化性能的影响。结果表明,阳极基质材料为2~4 mm颗粒活性炭,阴极基质材料为4~8 mm颗粒石墨时,电池性能最佳,最大输出电压为318 m V(外电阻为1 000Ω),最大功率密度达到0.197 W/m^3,库伦效率为2.1%。阴极基质材料的种类和粒径对MFC-CW的污水净化性能的影响较小,COD去除率均在80%左右。进水COD浓度是影响MFC-CW运行性能的一项重要参数,系统输出功率密度及COD去除率均随进水COD浓度的增加呈现先上升后下降的趋势,当进水COD浓度在200~300 mg/L时系统整体运行性能最佳。

人工湿地-微生物燃料电池系统对十二烷基苯磺酸钠的微生物响应特征

直链烷基苯磺酸盐(LAS)是日化领域应用最为广泛的阴离子表面活性剂,烷基苯磺酸盐及其降解中间产物已经成为环境中常见的代表性有机污染物。本研究以十二烷基苯磺酸钠(SDBS)为目标LAS,通过小试试验探究了人工湿地-微生物燃料电池耦合系统(CW-MFC)对SDBS的处理效果及系统对SDBS的微生物响应特征。结果表明:当进水SDBS浓度为25 mg·L^(-1)时,CWMFC对SDBS的去除率和去除负荷分别为44.3%和6.74 g·m^(-3)·d^(-1);SDBS的加入对CW-MFC系统中微生物群落的组成与活性产生了较大的干扰,微生物需要一定的时间适应并发展SDBS降解能力,而电化学活性菌(EAB)对SDBS的抗性比其他微生物物种更强;SDBS促进了火山岩填料和阳极表面(厌氧环境)的微生物群落丰富度和多样性,而对植物根系和阴极表面(好氧环境)的微生物群落多样性产生了抑制;CW-MFC中火山岩填料表面、阴极表面和阳极表面的优势菌门分别为Proteobacteria、Bacteroidota和Desulfobacteroidota;SDBS将CW-MFC中阳极区EAB(Proteobacteria、Bacteroidota、Firmicutes、Acidobacteriota等)的相对丰度显著提高56.7%,从而提高了CW-MFC的最大输出功率密度并显著降低了系统内阻;CW-MFC中有7个SDBS降解相关菌属,Geobacter可参与β/ω氧化过程,Aeromonas、Acinetobacter和Desulfovibrio可参与脱磺酸过程,Hydrogenophaga、Zoogloea和Dechloromonas可参与苯环裂解过程,其中,Geobacter和Desulfovibrio为厌氧菌属,其余为好氧菌属,此外,火山岩填料表面SDBS降解相关菌属相对丰度最高,占比为61.61%。研究表明,SDBS改变了CW-MFC内部微生物群落的空间分布规律,促进了EAB和SDBS降解相关菌属的富集生长,并改善了CW-MFC的电化学性能。总之,利用CW-MFC系统处理阴离子表面活性剂是可行的。

人工湿地-微生物燃料电池耦合体系的研究进展

人工湿地-土壤微生物电池(CW-MFC)技术是一个全新的生态电化学体系,在污水处理和生物产电方面具有很大的潜力。本章主要阐述了CW-MFC基本原理以及国内外的发展状况,并重点从体系构成(湿地植物、电极物料、基质材料、微生物)和系统运行条件(进水水质、进水方式、水力时间、溶解性氧、温度及pH)等方面阐述。最后概括了CW-MFC存在的问题和技术前景,并预测了该技术的发展趋势。

微生物燃料电池——人工湿地耦合系统研究进展

微生物燃料电池-人工湿地耦合系统(wetland type microbial fuel cell,CW-MFC)是一种新型污水处理工艺,该系统具有废水处理、二氧化碳同化、空气净化作用及发电等优势,对微生物燃料电池-人工湿地耦合系统的研究符合我国生态文明推进的趋势。CW-MFC中不同的组成要素、运行条件对其产电能力、去污能力及建设成本有着很大影响。本文基于此,提出了CW-MFC型电池的研究和发展方向。

人工湿地耦合微生物燃料电池处理重金属废水的研究进展

人工湿地耦合微生物燃料电池(CW-MFC)是一项将人工湿地技术(CW)与微生物燃料电池(MFC)相结合的新型技术,克服了MFC无法自成体系的缺点,可以在处理各类型废水的同时产生电能,具有广阔的应用前景和研究意义。近年来,国内外关于CW-MFC处理染料废水、含盐废水、农药废水、有机化合物废水及含抗生素废水等内容开展了大量研究并取得了重要的研究进展,但在重金属废水处理上的研究内容较少且深度较浅。因此,基于现目前已有的研究,从产电性能和污染物去除效果两方面,总结归纳了CW-MFC去除铬、砷、锌、镍、铅等重金属的研究现状,并从基质、电化学、微生物及植物等方面阐明了CW-MFC中重金属的去除机理。通过研究现状及去除机理发现,CW-MFC对含高价态重金属废水(如Cr(VI))的去除效果及产电性能更好,这可能归因于高价态重金属所具有的强氧化性,增大了CW-MFC的氧化还原梯度,促进了系统产电、提高了电化学作用去除的效率。最后探讨了该技术面临的挑战并进行了展望,以期为CW-MFC技术的发展提供理论依据。

微生物燃料电池型人工湿地去除抗生素的效能研究

考察了微生物燃料电池型人工湿地(MFC-CW)系统对不同浓度抗生素的去除效果和产电特性,以及不同共基质浓度对去除抗生素和产电的影响.结果表明,系统对磺胺甲恶唑(SMX)和四环素(TC)的去除分别以微生物降解和吸附为主.四环素具有较强的极性,进入系统后能够立即被填料稳定吸附.磺胺甲恶唑易随水流动,更容易被微生物降解.进水抗生素浓度越高,出水浓度越高,系统开路电压越低.同时,进水共基质浓度也影响MFC-CW对抗生素的去除效率和产电能力.随着系统共基质浓度的增加,系统开路电压和系统内阻逐渐增大,而系统库伦效率逐渐下降.由此表明进水抗生素浓度和共基质浓度都应控制在一定范围内,才能使系统在产电、抗生素降解方面达到优化平衡.

人工湿地微生物燃料电池耦合系统对典型全氟化合物的去除效果

针对污水中传统污染物和新污染物的共存特征,以典型全氟化合物(PFASs)为目标新污染物,探究人工湿地微生物燃料技术(CW-MFC)处理含PFASs污水的效果,构建了不同电路运行模式下的CW-MFC体系,研究了CW-MFC对PFASs的去除效果,并探讨PFASs添加后对传统污染物去除和生物电化学性能的影响。结果表明CW-MFC系统在开路和闭路运行下均能够有效去除废水中96%以上的PFASs。在PFASs介入后,对CWMFC系统有机物和磷的去除无显著影响,然而系统的脱氮效率和生物电转化性能均发生了一定程度的降低。在闭路运行工况下,CW-MFC系统的氨氮去除率和输出电压分别下降了7.22%和7.32%;CW-MFC开路运行时总氮去除率降低了13.98%。研究为水环境中PFASs污染的治理技术提供有益探索。

人工湿地微生物燃料电池对典型PPCPs的去除研究

医药品和个人护理品(PPCPs)是一类生物蓄积性强且难降解的化学物质,并能够随着自然界的物质循环不断迁移和转化,侵入自然水体并对动物和人类健康造成潜在威胁。以布洛芬(IBP)和双氯芬酸(DCF)为典型的PPCPs,探究CW-MFC装置对PPCPs的去除效果,并以葡萄糖(Glu)、蔗糖(Suc)、醋酸钠(Sa)3种不同有机物作为碳源与PPCPs进行共代谢处理。结果表明:稳定运行的CWMFC装置对IBP和DCF的去除率分别为95.02%和86.41%。IBP的添加对污水处理效能没有明显影响,而DCF对系统的净化效果起到了一定阻碍作用。共基质种类的不同对IBP和DCF的去除有影响,Sa和Suc由于其被微生物利用的难易程度的不同,对PPCPs和COD的去除都有不利的影响,以Glu作为碳源时,污染物的去除效果最佳。

微生物燃料电池与人工湿地耦合系统研究进展

将微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)与人工湿地(constructed wetland,CW)相结合是近几年来出现的一种新型产能及废水净化工艺。在综述CW-MFC耦合系统产电机理及其发展的基础上进一步分析讨论了当前研究中影响系统性能的组成要素(植物、微生物、电极及分隔材料)和运行参数(碳源、氧化还原电位及水力停留时间)两个方面,最后总结了当前尚未解决的关键问题,对今后耦合系统的潜在应用进行了展望。

矩形与双筒型微生物燃料电池产电特性比较

比较了矩形和双筒型微生物燃料电池(MFC)在电池启动、电池阻抗、阳极上附着的生物量、阳极生物膜的电化学活性、电池性能等方面的差异。双筒型MFC阳离子交换膜面积较大且电极间距较小,因此具有启动快、电池阻抗低、阳极上附着的生物量多、阳极生物膜的电化学活性高等优点,也导致了其比功率较高为(52.54±0.02)W/m3,是矩形MFC的1.33倍。

微生物燃料电池-人工湿地耦合系统处理污水及产电性能研究

以芦苇为湿地植物构建微生物燃料电池-人工湿地耦合系统(MFC-CW),研究进水COD、水力停留时间(HRT)及阴极曝气量对MFC-CW产电和污水净化性能的影响。结果表明:MFC-CW系统经驯化后能够稳定运行,在净化污水的同时产电。随着进水COD的增大,MFC-CW系统的输出电压及COD去除率均先增大后减小,在COD为200 mg/L时系统产电量最大,为294 m V;COD为300 mg/L时系统COD去除率最大,为89.4%。随着HRT的增大,系统输出电压先增大后减小,在HRT为3 d时达到最大,为280 m V;系统COD去除率先增大后趋于平稳,HRT为3 d时去除率最高,为86%。系统输出电压及COD去除率随阴极曝气量的增大而增大,但其增长的速率逐渐减小。选择最适阴极曝气量时需要综合考虑输出电压、污水净化效果及经济成本。综合考虑各因素,优选0.075 m^3/h为最佳曝气量。

MnO_2-r-GO修饰阴极对沉积型微生物燃料电池(MFC)产电性能的影响

考察了MnO2-石墨烯(r-GO)修饰阴极对沉积型微生物燃料电池(SMFC)的产电性能和体系有机质去除率的影响.实验结果表明,采用MnO2和r-GO对SMFC阴极进行复合修饰,运行稳定后,MnO2-r-GO修饰阴极体系与空白阴极体系相比,最高产电电压从65.2 mV增大到325.7 mV;最大功率密度由0.28 mW.m-2增大到17.4 mW.m-2,并且体系的内阻由1157Ω显著降低到159Ω;空白阴极体系和MnO2-r-GO修饰阴极体系的COD去除率和氨氮(NH4+-N)去除率分别由25.8%和27.3%增大到37.0%和32.7%.