量子点碳修饰生物阴极提高BC-MFC系统脱氮及产电性能

为提高生物阴极微生物燃料电池系统脱氮及产电性能,提出采用量子点碳对生物阴极微生物燃料电池系统(BC-MFC)的生物阴极(BC)进行修饰,以增加阴极附着面积提高微生物附着量。以脱氮作为首要目标,产电作为次要目标,设计了4组不同类型生物阴极的BC-MFC系统进行实验。结果表明,利用量子点碳对生物阴极进行修饰,能提高系统的脱氮能力,氨氮和总氮去除率最高可达到80%和77%,相比于对照组均提升约10%;系统微生物群落形成更快,启动时间缩短,且系统内阻最高下降24.19Ω,平均下降约23Ω,功率密度最高提升9.42 mW·m^(-3),平均提升6.76 mW·m^(-3);增加了系统的不稳定因素,采用微生物提前挂膜培养和在阴极区域栽种湿地植物的方法可提高系统稳定性。

磁铁矿作用下DvH阴极生物膜的响应及转录组分析

本研究通过构建Desulfovibrio vulgaris Hildenborough(DvH)生物阴极,探究磁铁矿纳米颗粒(MNPs)作用下其生物膜的响应机制.结果发现,相较于无MNPs添加组,MNPs介导下的DvH生物阴极的SO_(4)^(2-)-S~(2-)转化率由6.8%提升至37.9%,周期电荷量提升了11.5%.线性伏安扫描结果显示,在0~-0.81V电势范围内,MNPs添加组阴极电流均高于对照组,说明MNPs可以增强阴极生物膜电催化活性.DvH阴极生物膜的比较转录组结果表明,MNPs可通过促进与[FeFe]氢化酶、Hmc和ATP合成酶相关的基因的表达,促进DvH对氢气的利用和代谢;通过促进编码ATP硫酰化酶和腺苷酸硫酸还原酶这两种硫代谢关键酶的基因表达上调,提高SO_(4)^(2-)-S^(2)转化率;通过促进Flp/Tad菌毛组装和PEP-CTERM蛋白相关基因的表达上调,强化DvH在阴极的附着和成膜.研究结果可为微生物阴极电化学系统的高效构建提供新的理论依据.

铁阳极/生物阴极单室电池脱氮及产电效能

研究了铁阳极生物阴极单室电池无机废水脱氮及产电效能,并探究了生物阴极优势菌群结构.结果表明,在外接1000Ω电阻,进水40mg/L硝氮的条件下单室电池的内阻仅为224.1Ω,并且最大功率密度达到1.82W/m^(3),总氮去除率为40%.降低外电阻和硝氮负荷后,电池在外接200Ω电阻情况下可以稳定运行与处理硝氮负荷为20mg/L的无机废水,在2d内总氮去除率达到95.8%,最大去除负荷为0.0102kgNO_(3)^(-)-N/(m^(3)·d),硝氮去除负荷提升了1倍,说明单室铁阳极生物阴极电池具有良好的去除无机废水中低浓度硝氮的能力.生物阴极群落分析表明,与接种污泥相比,生物阴极群落多样性降低,绝对优势菌属为Thiobacillus,相对丰度为40.8%,为阴极电自养反硝化主要菌属.

生物阴极型微生物燃料电池研究进展

生物阴极型微生物燃料电池利用阴极微生物作为催化剂,降低微生物燃料电池成本的同时提高运行稳定性,受到广泛关注。文章根据最终电子受体将微生物燃料电池分为好氧生物阴极型和厌氧生物阴极型两类,分别对其产电机理、产电及污水净化效果进行评述,在此基础上分析影响生物阴极型微生物燃料电池产电的各种因素,提出生物阴极型微生物燃料电池的发展方向。

不同碳源对产甲烷生物阴极性能的影响

以'H'型电池为主体装置,考察和比较了有机和无机碳源对产甲烷生物阴极启动期和稳定运行期性能的影响.结果表明,有机碳源可以加速产甲烷生物阴极的形成,并使其在稳定运行期维持较高的运行性能;有机碳源条件下所形成的产甲烷生物阴极具有较好的电化学活性,当阴极电势为-0.75 V(vs.SHE)时,其电流密度可达(2.34±0.15)A/m2;通过投加有机碳源,可以实现CO2(或HCO-3)的原位供给,与无机碳源直接供给方式相比,可在一定程度上缓解气液传质限制,提高微生物的生长速率,最终使产甲烷生物阴极表面生物量是无机碳源培养下的4倍多.从微生物分析角度解释了有机碳源提高产甲烷生物阴极性能的原因.

反硝化微生物燃料电池的基础研究

在启动双室型反硝化微生物燃料电池的基础上,研究了阴极溶解氧及外电阻对其产电性能和污染物去除效果的影响.结果表明,以乙酸钠为阳极电子供体,硝酸钠为阴极电子受体,在25℃的环境温度下,采用先间歇后连续培养的方式,42d内成功启动了反硝化微生物燃料电池.在阴极进水含氧的情况下,氧和硝酸盐可共同用作阴极电子受体.在较小电流密度区域内,氧是阴极的主要电子受体,相应的最大功率密度为26.0W/m3NC;电流密度增加到一定程度后,硝酸盐逐步变为阴极的主要电子受体,相应的最大功率密度为20.9W/m3NC.外阻变化对COD去除及反硝化程度影响较小,阳极COD去除负荷维持在1.2kg/(m3NC.d)左右,出水NO-2-N保持在0.05mg/L以下;但外阻减小有利于提高阴极脱氮效果,外阻为5时NO-3-N去除负荷达0.111kg/(m3NC.d).

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。

生物阴极型微生物燃料电池脱氮研究进展

在分析总结微生物燃料电池(MFC)脱氮原理的不同观点基础上,重点分析了碳氮比、溶解氧、pH值、外阻和温度等因素对MFC脱氮及产电性能的影响,介绍了MFC脱氮工艺的单室、双室及三室结构,阐述了MFC脱氮未来需解决的问题及发展方向。

两类阴极菌群微生物燃料电池降解硝酸盐研究

文章以硝酸盐溶液为阴极的电子受体,在阴极室中分别接种活性污泥混合菌和纯反硝化单菌株,构成生物阴极微生物燃料电池(microbial fuel cell,简称MFC)A-MFC和B-MFC。实验结果表明:在外接电阻为100Ω情况下,A-MFC和B-MFC最大输出电压分别为119.6mV和117.2mV,硝酸盐在B-MFC阴极室的平均反硝化速率为2.19mg/(L·d),比A-MFC中的平均反硝化速率1.86mg/(L·d)略高;扫描电镜观察到A-MFC和B-MFC的阴极碳布纤维丝表面形貌存在差异,A-MFC中碳布被孔状结构物覆盖,而B-MFC阴极碳布被片层状结构物所覆盖;同时发现A-MFC的阴极碳布循环伏安法CV曲线上均出现了明显的还原峰,表明A-MFC阴极碳布上的微生物进行了催化还原反应,而且阴极溶液均出现1对明显的氧化还原电对,说明阴极溶液中确实存在氧化还原介体进行微生物与电极间传递电子。

微生物燃料电池阴极电子受体研究进展

微生物燃料电池是一个阳极产生电子,阴极接受电子的电化学系统。阐述了微生物燃料电池各种电子受体在阴极的反应机理和研究现状,分析了目前微生物燃料电池研究存在的不足,并提出了未来的研究和发展方向。

磁性纳米粒子复合物固定漆酶电极作为酶燃料电池阴极和氧电化学传感器的性能研究

以邻苯二甲酰化壳聚糖和磁性Fe_3O_4纳米粒子纳米复合物为载体,通过吸附方式固定漆酶分子,并将固酶复合物滴涂在电极表面室温干燥得到固定漆酶基电极,采用循环伏安法、线性扫描伏安法和计时电流法测试了此电极作为酶燃料电池阴极的催化氧还原性能和作为氧电化学传感器的使用性能。实验结果表明,电极在不含电子中介体的溶液中出现一对表征酶活性中心T_1与导电基体之间直接单电子准可逆迁移的氧化还原峰信号(中值电位是798 mV,非常接近漆酶活性中心T_1的式电位780 mV),导电酶分子表面浓度为1.5×10^(-9)mol/cm^2,电子迁移速率0.05s^(-1),氧还原起始电位930 mV,单位时间内底物转化频率0.3个/s。最佳检测条件下,此电极在氧气浓度2.6-33.9μmol/L的范围内,稳态催化电流与氧气浓度能保持良好的线性关系,对氧检出限为0.86μmol/L,灵敏度17.2μA·L/μmol,米氏常数K_M=131.1μmol/L。此电极具有良好的重现性和长期使用性,在pH=4.4时具有最大的催化活力。

聚苯胺-多壁碳纳米管修饰生物阴极微生物电解池产氢性能

采用原位化学氧化聚合法合成了聚苯胺-多壁碳纳米管复合材料,成功构建了修饰生物阴极型微生物电解池,通过聚苯胺-多壁碳纳米管复合材料的耦合作用,提高体系产氢性能,并通过对外加电压、电极间距、电解质浓度等外部操作参数的优化,进一步提高体系性能。实验结果表明,修饰生物阴极实现同步处理废水产氢,表现出优于未修饰生物阴极(MEC)的性能。在外加电压0.9 V、电极间距3 cm、电解质浓度100 mmol/L操作条件下,体系性能最佳。此时聚苯胺-碳纳米管修饰生物阴极微生物电解池H2产率可达0.83 m3/(m3·d),COD去除率为89.3%,阴极H2回收率为51%。

生物阴极的构建方法对偶氮染料降解过程的影响

生物阴极可以强化偶氮染料在生物电化学系统中的脱色降解过程.针对三种不同的生物阴极构建方法进行了评估分析.实验结果表明,三种方法都可以加速偶氮染料在阴极的脱色降解,反应过程基本属于一级动力学过程.其中利用生物阳极反转方法构建的生物阴极展示出了最大的催化电流(0.12 mA)和偶氮染料去除效率(85.2%),厌氧污泥接种方法构成的生物阴极在电子回收率方面具备优势(71.8%).对生物阴极的微生物群落结构进行分析,发现电极表面存在着大量与电化学活性和偶氮染料脱色功能相关的微生物,表明生物阴极的强化作用与微生物膜的组成密切相关.

生物阴极微生物燃料电池预处理酸性重金属矿井废水

采用以污泥+葡萄糖为有机底物,硫酸根离子为电子受体、碳毡吸附固定化硫酸盐还原菌为生物阴极、碳布为阳极的双室微生物燃料电池,处理模拟酸性重金属矿井废水.构建不同的外接电阻(分别为100Ω、1000Ω)MFC系统和开路常规生化处理对比,废水初始pH=4,Zn2+、Cu2+、Cd2+、Pb2+、总Fe初始质量浓度均为20mg/L.结果表明,MFC外接电阻100Ω时,对Zn2+、Cu2+、Cd2+、Pb2+、总Fe的去除率分别达到99.45%、99.68%、99.65%、98.34%、98.99%;COD、SO2-4的最大降解速率分别为83.4和23.9mg·L-1·d-1,比开路常规生化处理分别提高了15%和181%;同时pH有效提升至中性.表明了微生物燃料电池的对于传统生物法处理酸性矿井废水有预调节作用.

基于生物阴极MFC的PRB中试系统处理AMD研究

为研究基于SRB生物阴极微生物电池(MFC)的固定化硫酸盐还原菌可渗透反应墙(PRB)对提高PRB处理酸性矿井废水(AMD)效果的影响,构建了中试系统,考察了进水不同p H值、重金属离子浓度及不同HRT对系统处理AMD效果的影响。结果表明:(1)MFC区有很好的调节p H功能,进水p H=3,仍能调节PRB生化反应区进水及系统出水稳定在6.5左右。(2)重金属离子的去除以MFC区为主,系统最终出水重金属离子去除率在95%左右;调节HRT=4~2 d,Fe^(2+),Cu^(2+),Zn^(2+),Ni^(2+)去除速率750~1 500 mg/(m^3·h),而Mn^(2+)去除速率略低为600~1 000 mg/(m^3·h)。(3)硫酸根的去除速率随碳源减少呈下降趋势;MFC外电压随碳源以及菌量的变化而显著变化。

电压对生物阴极电活性的影响

为富集高活性的生物阴极和降低微生物电解池的运行成本,分别考察了单室无膜微生物电解池(SCMMEC)中电压与生物阴极活性和溶液COD的关系。结果显示,0.2 V、0.3 V和0.5 V生物阴极的活性水平相当,且相对活性最高的0.3 V生物阴极仍是阴阳极中的电流限制电极。这表明选用稳定性差的廉价电源既可降低SCMMEC的固定成本,又不影响生物阴极的表现。进水COD-外压-电流密度显示,外压的选择还应考虑进水COD,低COD选择较低的外压,反之则相反。

好氧/缺氧生物阴极型微生物燃料电池组合工艺处理含氮废水的研究

考察了好氧/缺氧生物阴极型微生物燃料电池(MFCs)组合工艺对模拟氨氮废水的处理情况,该组合工艺由好氧MFC(O-MFC)和缺氧反硝化MFC(A-MFC)组成。结果表明:连续运行时,O-MFC和A-MFC的输出功率分别为14.2 W/m3和8.8 W/m3,对COD、氨氮和TN的去除率分别为98.8%、97.4%和97.3%。随着氨氮浓度的增加,A-MFC的功率密度增大,O-MFC的功率密度下降。当氨氮浓度为100 mg·L-1时。

盐度对生物阴极微生物燃料电池脱氮除碳及产电性能的影响

在不同盐度影响下,研究了生物阴极微生物燃料电池(BCMFC)的脱氮除碳及产电性能,分析了COD和NH+4-N的降解动力学以及硝化反硝化酶的活性。结果表明:盐度为10%海水比例的BCMFC性能最佳,TN去除率为86.99%,COD去除率为99%,最大输出功率为2 520 m W/m3,内阻为151Ω;当盐度达到50%海水比例时,污染物去除率下降,输出功率减少至175 m W/m3,内阻增大了约9倍。10%海水比例时的COD降解和NH+4-N的去除动力学级数均为一级,且对应的反应速率常数最大,分别是盐度为70%海水比例的2.4倍和5倍;当盐度达到50%海水比例时,硝化反硝化酶的活性受到明显抑制。

电驱动下的环境污染物厌氧生物转化—电子转移原理和应用实例

厌氧环境下一些微生物能够接受来自于电极的电子并将电子传递至环境污染物,这使得电驱动下生物还原技术在可持续性废水处理以及生物修复方面受到越来越多关注.此体系中,阴极电子传递被认为是影响环境污染物厌氧转化可行性和效率的制约因素.文中首先评述可能的电子传递原理,包括水解氢气介导的间接电子传递、人工合成电子穿梭体或者细菌分泌电子穿梭体介导的间接电子传递、以及电极与细菌之间的直接电子传递等途径.相比间接电子传递,直接电子传递避免了将电子传递给没有起作用的介体及没有和电极接触的浮游微生物,因而更加节能.另外,列举了自养反硝化、生物还原脱氯、重金属生物还原、CO2生物还原以及硫酸盐生物还原等应用实例.最后,提出了此领域研究发展亟需解决的两个重要问题,包括阴极生物膜的培养以及电子从电极转至微生物内在机理的解析.

单室无膜微生物电解池中阴极生物膜的电活性

降解有机质的电产甲烷(electromethanogenesis)技术在生物能(CH4)的生产、废水处理、地下水和土壤(及沉积物)生物修复等领域有着巨大的发展潜力。寻找简捷的方法获取高活性的生物阴极是该技术当前发展面临的一个突出问题。以最有应用潜力的单室无膜微生物电解池(SCMMEC)为反应器,对以葡萄糖为可发酵物质代表的SCMMEC阴极上生物膜的评估表明,可利用SCMMEC处理含葡萄糖的废水来富集电活性生物阴极。当外压为0.8V时,富集的2个生物阴极的电流密度可分别达到0.59A/m^2和0.62A/m^2。但该法获得的生物阴极活性仍然比较低,是阴阳极中的电流限制电极。进一步的介体影响评估表明,生物阴极的电活性不受溶液中可能存在的电子介体的影响。在低剂量缓冲盐(6 mmol/L的磷酸盐)下的长期运行显示,0.8V外压下生物阴极的活性在62d和153d时持平,到275d时已有明显下降。长期直流通电单向极化导致的离子浓缩,甚至盐沉积,可能是生物阴极活性下降的主要原因。