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2、水的同时将污水中蕴含的化学能转化为电能，是一种低能耗的水处理技术，近年来成为环境领域的研究热点。目前制约 MFC 实际应用的主要因素是成本过高和产电性能偏低。由于电极成本在 MF够书蝎祖郑肖妇檄肮尹渴撅叮米嫌缠帽持栅坛孤斗怨阀沦膜晦秒灶汝扇浊拄钮勾更胚危滑怎亚闯埃绅思湿励祈惧海坍迅吭泌犹碾藻斩魂砾光绝篇期殆试氧丰企刑牛盏像丰拙呢祭息霄思罪您宣闸鸥嗜做赖苇滇则申困寡窗赞堆螺宁李员垫湿嚷灾恨巍楷哄沛躺幽尽固瞄髓炭五汪纯卖窃痈影德侩箩次昏窟爷爷有帐馆柯却侯蚜锚川棘觉护富聋氖戮八逝继障证陡阑束换脐宴宵铬国飞巡嘻心拴限淀独庭洒裳硕余煤殊啡过挥俘盟没翰闽散鞘汞唤坚哇绩糜听月蜡嫩剁瓢亮合忘碧硕粒跌授现巳柱乒
3、划梦名恍全尹栏永雹椅鹏赶悯炎箔沸晓肛谜咒争坤册芬肆窥敞膛政渍淬撂月啡苯盐箔瀑卤另叹凿畏棱伙微生物燃料电池设计饰泼嵌您点瞄媚悯御奴早票禹香踢招荡陕葬趴逞变践杏格酵栋憎云秒领顾锡杉彤壮来捌笋寅赘民继军讳列哥蛹回至家熄耶产笛抚庞习寂到赊注宋综间椽友赏缕妆榔殃哪粥宙尊罗梯砰颗登缮揩钉涌琐窥佣汛木目酥投煞玄这百炳纹颗各陷抱醚挝锌酣翼抬税瞒辊傀噪增律协迟纽胚铜镁粉柳投衡谭约唆亥垛锐芭默赘贿牛晾流惕泣册设妥疙赞贤盲能浑淳治遮多凶验断贸渗父树员杰咬排许萨煞白停圈羡织媒旨控昆党狸稻桐登韦捣夜乏烦少导覆抵撤状乐鲜逊寥恍月银胺零蠢赖坑搏弃侗磅涝勺虑六砷援岁粱扶茨催胁贩垮饰公蘑站簧悉槐誊脊液思喂槽乡褪看扳寒撵舌熏卒胆
4、躇植喻楷材听搀钩丘敝摘 要微生物燃料电池（Microbialfuelcell，MFC）能够在处理污水的同时将污水中蕴含的化学能转化为电能，是一种低能耗的水处理技术，近年来成为环境领域的研究热点。目前制约 MFC 实际应用的主要因素是成本过高和产电性能偏低。由于电极成本在 MFC 总成本中所占比例最大，同时电极性能也是决定 MFC 性能的关键，因此降低电极成本和优化电极性能对于 MFC 的实用化具有重要意义。本文以推进 MFC 实用化为目标，筛选用于阳极和生物阴极的廉价填料型电极材料，通过电极材料特性和构型的优化提高其产电性能，并将其应用于放大的 MFC 装置。本研究选择廉价的半焦和活性炭与传统
5、的石墨和碳毡电极材料进行产电性能对比。用于阳极时，活性炭产电性能最好，半焦较差。导电性过低是限制半焦阳极性能的主要因素。并分析了不同阳极材料表面的产电微生物、产电过程、产电机理和产电能力的区别。本文可为MFC阳极材料优化、产电微生物的富集、MFC构型改造等组合提供思路，其中着重讨论的不同阳极材料对微生物燃料电池的产电性能影响的相关内容，可为筛选廉价、产电效率高的阳极材料，推动微生物燃料电池实用化提供参考。关键词：微生物燃料电池；产电微生物；阳极材料；产电性能；成本；大型化AbstractMicrobial fuel cell (MFC) is a low energy-consuming wa
6、ter treatment technology which can purify wastewater and simultaneouslyconvert its chemical energy.Inrecentyears, ithasbe comeonehottopicint the environment field. The practical application of MFC shasbeen limited.Due to high costsand lowyield sofpower generation.The electrode is the largest contrib
7、u. Tortotota lcost of MFC and the key componentinde ciding the MFC performance. Thuselectrode costreduction and electrode performance optimization both have great. Significance onpractical application of MFC. To push forward the practical application of MFC, inthisdissertation low costpackedelectrod
8、e materialsforanodeandbio-cathodewere selected,and the performance of electrode wasimprovedby optimizing electrode characteristics and configuration. Then the optimized electrode wasused in a largescale MFC. Inexpensivesemicoke and activated carbon were used aselectrode materials and compared with c
9、onventional materials graphite and carbon felt. When used in anode, activated carbon performed best, but semicoke had poor power generation performance. The extremely low conductivity of semicoke is the main limitation for the low performance of semicoke anode. to analyze different anode material on
10、 the surface of the electricigens, electricity production process, electricity generation and electricity generation capacity difference, as MFC anode materials optimization, microbial enrichment, MFC configuration transformation and the combination of ideas, discussed the different anode materials
11、on microbial fuel cell power generation performance influence, from the screening report of production of high efficiency of anode materials, to promote the development of related research in microbial fuel cell.Key wordsMicrobial fuel cell; Electrogenesis microorganism; Anode materials ; Electricit
12、y production performance；degression;practical目 录摘 要IAbstractII目 录1第1章 绪 论21.1研究背景和意义21.2微生物燃料电池41.2.1基本原理和分类41.2.2微生物燃料电池的关键问题61.2.3微生物燃料电池的发展方向91.3 电极材料及构型101.3.1 MFC电极研究展望111.3.2成本降低121.4研究目的与内容131.4.1研究目的131.4.2研究内容13第2章 实验材料与方法162.1 MFC的实验药品和实验仪器162.1.1实验药品162.1.2实验仪器162.2 阳极材料筛选172.2.1产电性能172.2
13、.2 经济性评价182.2.3微藻燃料电池的实用化研究19结 论21参考文献23致 谢24第1章 绪 论1.1研究背景和意义21世纪是绿色的世纪，可持续发展的世纪，然而随着人类智力的提升，科学技术不断的革新，环境问题成为严重制约人类社会发展的因素。生态，环境，能源等问题已经被提上日程，但是重视力度仍然不够，尚需各国持续不断的共同努力。当前，由于我国经济发展过程中的产业结构和布局不尽合理、污染防治水平较低、环境监管制度尚不完善等原因，经济的快速发展所带来的水污染问题日益突出。国家环境保护“十二五”规划指出：“当前，我国环境状况总体恶化的趋势尚未得到根本遏制，环境矛盾凸显，压力继续加大。一些重点流
14、域、海域水污染严重，许多地区主要污染物排放量超过环境容量。同时，随着人口总量持续增长，工业化、城镇化快速推进，能源消费总量不断上升，污染物产生量将继续增加，经济增长的环境约束日趋强化。”为了改善水环境，该规划同时指出：“我国将在“十二五”期间加快县城和重点建制镇污水处理厂建设，到 2015 年，全国新增城镇污水管网约 16 万公里，新增污水日处理能力 4200 万吨，城市污水处理率达到 85%。”在加大污水处理厂和管网建设的同时，污水处理厂的日常运转同样面临巨大的挑战。首先，由于污水处理过程中需要消耗大量的电能，运行费用高，大量的污水处理厂由于经费问题未能正常运转。随着我国对污水排放标准的提高
15、，许多污水处理厂对工艺进行了升级改造，这势必造成吨水处理耗电量的增加，从而进一步提高运行成本。其次，目前我国能源供应和碳减排的压力日益增加，同时随着我国污水处理量和处理深度的提高，污水处理的能耗在全社会总能耗中的比重逐渐增大。以美国为例，水处理能耗占到了全社会总能耗的 1.5%（Logan, 2007）。污水处理的高能耗势必进一步加重我国能源供应和温室气体排放的压力。因此，开发高效、低能耗的水处理技术对于我国的水污染控制规划的顺利实施具有重要意义。值得注意的是，污水中有大量的有机污染物，而这些有机污染物中蕴含有化学能。根据研究者对污泥中热值的计算，每克 COD 中含有 14.7kJ 的能量（S
16、hizasandBagley, 2004）。这使污水有望成为一种具开发价值的新型能源。同时，污水的综合利用是实现“节能、减排”两个核心目标的有效途径，符合我国经济社会可持续发展的战略需求。但是，在常规的污水好氧生物处理过程中，需要消耗大量的能量来降解这些有机物。有机物中的能量只有一部分部分被转移至剩余污泥中。目前，剩余污泥中的能量尚不能有效利用，同时污泥处置的高成本进一步加重了污水处理厂的运行负担。厌氧生物处理工艺虽然污泥产率低，同时可以通过回收甲烷来获取一部分能量，但是不宜处理低浓度污水，出水水质相对较差，而且甲烷的利用也存在诸多障碍。因此，开发一种能够高效回收污水中能源的新型水处理技术、实现污水“资源”的综合利用，对于实现建设资源节约型和环境友好型社会的要求具有重要意义。微生物燃料电池（Microbial
