微生物燃料电池系统构建及相关微生物学研究

摘要

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFC)是一种新型的污水处理及电能回收装置，利用微生物将有机污染物中储存的化学能转化为电能。MFC作为一种新兴的污水处理技术，符合社会可持续发展的要求，也为污水处理提供了新的思路和方法。本文首先构建出阳极室和阴极室总容积分别为3L和2.8L的微生物燃料电池装置，利用不同来源污泥样品构建2个微生物燃料电池系统，考察MFC的启动和运行情况。且在系统稳定后，分析两份污泥样品中微生物群落结构的变化趋势;考察不同环境因素对于MFC运行的影响，并优化环境因素，使得MFC系统运行效果最佳;构建生物阴极型MFC系统，通过控制阴极溶氧，研究系统同时脱氮去碳以及产电能力。具体实验结果如下:
　　1、构建出2个阳极室容积3L阴极室容积为2.8L的两室型MFC装置，以汤汪污水厂浓缩池污泥及半塘河道底泥作为菌源，以模拟污水为基质启动MFC系统，富集产电。结果发现，两组污泥接种的MFC系统均能启动产电，在系统输出电压值下降时更换阳极室和阴极室溶液又即刻恢复高产电状态，系统表现出良好的产电能力和稳定性。说明自然界存在着很多能够产电的微生物，已经成功驯化出具有产电能力的MFC系统。采用PCR-DGGE技术分析微生物群落结构发现，不同来源的菌群微生物群落结构不同，同一种污泥在驯化前后微生物群落结构也有很大差别。
　　2、不同的环境因素对于MFC系统的稳定高效运行有一定的影响。研究发现，MFC系统在一定的温度范围内(15℃～30℃)均能成功启动，但是低温条件时，系统成功启动的时间较长且输出电压值低，在温度为30℃时，系统表现出良好的产电性能，启动周期缩短，且产电量明显增加，在检测阳极室内有机物浓度变化时也发现，温度的升高促进微生物代谢能力的增加，从而加快有机物的降解;阴极室是接受电子的场所，电子受体的总量和浓度对于系统产电量的影响显著，在系统电压值下降至一定程度时更换阴极溶液，电压值立即上升至最大值;阳极室内环境pH值对于MFC系统电压值输出也有很大影响，在一个产电周期内，阳极室的pH值不断降低，输出电压也随着降低，通过调节阳极室酸碱平衡后，输出电压也随之升高，说明阳极室的过度酸化会影响细菌正常的代谢活动，因此释放的电子少，从而影响产电，通过在阳极加入少量碳酸钙粉末调节阳极室的酸度，保证阳极电势稳定，有利于系统平稳低对外输出电压;外阻的不同对MFC系统输出电压及功率密度的影响不同，随着外接电阻值的降低(300Ω、100Ω、50Ω、10Ω)，系统的输出电压值随之下降，但是单位体积功率密度值增加。外阻为10Ω，系统最高输出单位体积功率密度值达5.0 W/m3。
　　3、在以乙酸钠为碳源并且运行稳定的MFC系统加入一定量的苯酚，MFC系统的输出电压即刻下降，但是随着驯化的进行，MFC系统最终可以利用苯酚作为碳源，并释放出电子产电，输出电压最大值为0.18V，总COD和苯酚的去除率最高达到86％和80％。进一步分析系统中微生物群落结构时发现，两个MFC系统中微生物群落结构有很大的相似性，通过对优势条带的割胶测序显示，A系统的4个条带对应得比对相似性最高的菌株分别为Acinetobacter、Krokinobacter、Parabacteroides、Ignavibacterium、Riemerella anatipestifer、Acinetobacter;B系统3个条带测序所得相似性最高的菌株分别为Paludibacter、Pseudomonas、Xanthomonas和Azospirillum lipoferum。
　　4、构建出生物阴极型MFC系统，以乙酸钠为唯一碳源，两室均接种采自啤酒厂SBR（间歇式活性污泥）工艺中浓缩池的污泥，通过控制阴极溶解氧(DO)浓度构建SND（同时硝化反硝化）生物阴极型MFC，在实现较高输出电压值的同时进行脱氮。研究发现，阴极过高或过低的溶解氧值都会对系统的产电量和脱氮效率有影响。只有在最适宜的DO浓度(DO=3.89 mg/L)时，MFC系统效果最好，输出电压值为0.5V，总氮去除率达77％，MFC系统阴极同时硝化反硝化效果较好。