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1、2011届毕业设计（论文）题 目：新型小球藻生物阴极型MFC的基础特性研究 学 院：生物与制药工程学院 专 业：生物技术 姓 名：张鑫 指导教师：周楚新 教授 起讫日期：2011年3月2011年6月 2011年6月I新型小球藻生物阴极型MFC的基础特性研究摘要随着全世界范围内能源紧缺和环境污染问题的加剧，研发新的环境友好处理工艺从有机废水中回收有价能源已经成为环境工程领域一个重要的方向。能源微藻生物阴极型微生物燃料电池因可同时实现污染治理、零碳排放、电能产生、CO2捕捉、生物柴油及藻体残渣等有价回收的多重功效，具有广阔的应用前景。本文利用自行创新设计的阴极利于小球藻生长的MFC反应器作为实验模
2、型，首先以正常阴极液对其进行启动运行，待阳极产电菌富集成熟，电池产电稳定以后分别考察了阴极正常运行期、阴极加藻期、阴极换载铂电极期、阴极持续光照期这四个不同周期运行条件下该MFC的产电情况、阴极小球藻的生长情况、阴极溶氧情况及阳极人工废水的COD处理情况。试验结果表明阴极投加小球藻后MFC的产电水平、阴极溶氧水平、阳极人工废水的COD处理率都有了明显的提高，最终在阴极持续光照期得到最大输出电压为483.1mv，是阴极正常运行期的4.8倍，最大输出功率密度为27.5mW/，是正常运行期的28.9倍，内阻为为480.7，是正常运行期的0.4倍，阴极溶氧的平均水平较稳定，大约为6.4mg/L，而阴极
3、正常运行期时溶氧由初始4.71mg/L一直降到1.08mg/L，阳极人工废水处理10d后的COD处理率为83.21%。同时将小球藻放至MFC的阴极室进行培养并不会对其造成毒害，小球藻生长情况良好。 关键词:小球藻，微生物燃料电池（MFC），生物阴极，输出电压Basic characteristics research of a novel MFC with Chlorella biocathode AbstractWith worldwide energy shortage and environmental pollution increasing, the development of n
4、ew environmentally friendly wastewater treatment process to recover energy has become an important field of environmental engineering direction. Microbial fuel cell(MFC) with energy microalgae biocathode can be simultaneously achieved pollution control, zero carbon emissions, power generation, CO2 c
5、apture, and algae biodiesel and other valuable residue recycling multiple effects, has broad application prospects. In this paper, the innovative design of their own beneficial to the Growth of the cathode MFC reactor as an experimental model, the first to start its normal operation liquid cathode,
6、anode producing electricity Enrichment be mature, stable power battery production were investigated after the normal cathode run, adding algae into the cathode, the cathode electrode of Pt and the cathode light of this ongoing cycle of four different operating conditions, the MFC producing electrici
7、ty, the growth of Chlorella and dissolved oxygen conditions in the cathode, and the COD treatment situation of the artificial water in anode . The results show that adding Chlorella into the cathode production after the MFC power level, dissolved oxygen level of the cathode, anode COD artificial was
8、tewater treatment rate had a significant increase and, ultimately, the greatest period of continuous light cathode output voltage is 483.1mv, is 4.8 times as the normal operation ; the maximum output power density is 27.5mW / m, is 28.9 times as the normal operation ; the internal resistance is 480.
9、7, is 0.4 times as the normal operation; the average level of dissolved oxygen in cathode is stable and approximately 6.4mg / L, The COD treatment rate of the anode artificial wastewater is 83.21% after 10d. cultivating Chlorella in the cathode chamber of the MFC dont cause poisoning, chlorella grow
10、ed very good. Key words: Chlorella, microbial fuel cell (MFC), biocathode, the output voltage 目 录Abstract2第一章文献综述41.1能源发展与环境问题41.2 微生物燃料电池41.2.1 微生物燃料电池的工作原理41.3 微藻型微生物燃料电池51.3.1 微藻阳极底物型MFC61.3.2微藻生物阳极型MFC61.3.3微藻生物阴极型MFC81.4微生物燃料电池的应用前景91.5本课题研究内容，目的及意义91.5.1本课题研究目的及意义91.5.2 本课题的主要研究内容9第二章 实验材料与方法1
11、02.1实验材料102.1.1主要试剂及仪器102.1.2实验装置112.2实验方法122.2.1 MFC的接种及启动运行122.2.2 MFC运行条件142.2.3 测定指标及方法142.2.4 实验材料处理方法152.2.5实验内容15第三章 结果与讨论163.1 各周期输出电压的情况163.2 各周期阴极藻的生长情况173.3 各周期阳极人工废水的COD处理情况183.4各周期阴极溶氧的变化情况18第四章 结论与展望214.1结论214.2 展望22参考文献2311第一章 文献综述第一章文献综述1.1能源发展与环境问题 能源是人类赖以生存的物质基础，它与社会经济的发展和人类的生活息息相关
12、，开发和利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程。20世纪50年代以后石油危机的爆发，对世界经济造成了巨大影响，国际舆论开始关注起世界“能源危机”问题。世界能源危机是人为造成的能源短缺。联合国环境署的报告表明，整个地球的环境正在全面恶化，环境问题是一个全球性问题。社会发展至今天，人类己经强烈地意识到和感受到生存环境所受的威胁，也热切地期盼着生活空间质量的改善。目前国际社会关注的全球性环境问题主要包括:臭氧层破坏、温室效应和气候变暖、大气污染和酸雨、生物多样性减少、放射性物质污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等，尤其是全球气候变化、酸雨和大气污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等重大环境问题，
13、日益受到世界各国的普遍关注。而这些问题的产生，均与能源的开采、加工或利用有着密切的关系1。随着经济的不断发展，能源和环境问题日益突出。如果能源和环境问题得不到有效解决，不仅人类社会可持续发展的目标难以实现，而且人类的生存环境和生活质量也会受到严重影响。因此，世界各国在能源的战略和政策上更加强调能源与环境的关系，更加注意环境保护的重要性2。1.2 微生物燃料电池 微生物燃料电池(MFC)是利用酶或者微生物作为阳极催化剂，通过其代谢作用将有机物氧化产生电能的装置，它属于生物质能利用技术中的生物化学转化技术，将生物质转化为电能。将微生物燃料电池应用到废水处理领域，在处理有机废水的同时获得电能，是缓解
14、当前能源危机和解决环境问题的有效途径，也是环境能源领域的热点研究课题之一。1.2.1 微生物燃料电池的工作原理 微生物燃料电池利用微生物作为反应主体，利用微生物的代谢产物作为物理电极的活性物质，引起物理电极的电位偏移，增加了电位差，从而获得电能，即将燃料的化学能直接转变为电能。以有质子交换膜的双室微生物燃料电池为例（如图1），它的工作原理3,4是:在阳极区，微生物将有机底物氧化，这个过程要伴随电子和质子（NADH)的释放;释放的电子在微生物作用下通过电子传递介质转移到电极上;电子通过导线转移到阴极区，释放出来的质子透过质子交换膜也到达阴极区;在阴极区，电子、质子和氧气反应生成水。随着阳极区有机
15、物的不断氧化和阴极反应的持续进行，在外电路获得持续的电流。以葡萄糖为例，其反应式如下: 图1-1 MFC的结构及原理示意图3Fig.1-1 Schametics of the structure and working principle of MFC阳极反应:C6H12O6+6H2O6CO2+24H+ +24e- (l-l)E0=0.014 V阴极反应:602+24H+ +24e-12H2O (l-2)E0=1.23 V1.3 微藻型微生物燃料电池微藻与MFC技术分别因其高关注度均发展很快，但将两项技术进行结合（即微藻型MFC）开展相关研究的报道还比较少。早在1964年，Berk等6就开展了微藻型MFC的研究。他们以Rhodospirillum rubrum(红
