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1、摘 要摘 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的石墨和碳毡电
2、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IAbstractMicrobial fuel cell (MFC) is a low energy-consuming water tr
3、eatment 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 contribu. Tor
4、totota 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 costpackedelectrode mate
5、rialsforanodeandbio-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 convent
6、ional 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 the s
7、urface 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 on mic
8、robial 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 ; Electricity prod
9、uction performance；degression;practicalI第1章 绪 论目 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
10、.2.2 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24III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。
11、一些重点流域、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
12、标准的提高，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
13、的能量（ShizasandBagley, 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
14、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 fuel cell，简称 MFC）是一种新型污水净化装置，它能够利用微生物降解污水中的有机物，同时将其中所蕴含的化学能直接转化为电能。在 MFC 中，阳极生物膜氧化有机物所产生的电子直接传递至电极，电极在这里起到电子受体的作用。因此，MFC 对有机物的降解既不同于好氧生物处理过程，也不同于厌氧生物处理过程。与污水好氧生物处理工艺相比，MFC 的污泥产率仅为好氧生物处理过程的 1/5，因而大大降低了污泥处置成本（Logan，2007）。与常规的厌氧生物处理工艺相比，M
15、FC 的能量转化产物是易于被人们利用的电能，同时它在常温下即可运行，因而更具优势。MFC 潜在的优越性使人们对它的发展前景充满关注，从而使 MFC 技术迅速成为环境领域的研究热点。在微生物燃料电池中，微生物在催化剂的作用下将有机物分解为无机物，伴随着物质的转化，化学能转化为电能。生活污水和工业污水中含很多有机物，这些微生物都被可以利用。微生物燃料电池消耗污水中的有机物，通过生物代谢作用，实现能量的转化，是一种绿色能源，它的特征如下：（1）原料广泛：可利用多种底物。（2）条件温和：安全可靠。（3）环保无污染：唯一产物水。（4）不需外输能量：实现生物能到电能的转换。（5）能量可实现循环。（6）可用
16、于污泥和污水的处理中，变废为宝，节能减排1.2微生物燃料电池1.2.1基本原理和分类众所周知，微生物能够降解有机物，伴随物质的转换过程，能量也发生变化。植物储存在体内的能量是太阳辐射的太阳能，我们把该过程称做光合作用。微生物将氧化还原反应产生的电子通过外电路传递到阴极上，该过程伴随电流的产生，这样的装置称为微生物燃料电池。电池顾名思义就是产生电能的装置，微生物燃料电池自然是通过微生物是实现的。MFC 的结构主要由阳极、阴极和分隔材料三部分组成（Loganetal., 2006），这在本质上是化学上的氧化还原反应。其工作原理如图 1.2 所示图1.2MFC原理示意图MFC 的阳极和阴极均由导电材料制成。阳极表面附着有微生物。阴极表面固定有化学催化剂或者附着有微
