【正文】 ng SingleChamber a Microbial fuel cell. Environmental Science and Technology. 2020, 39(2):6583662. [15] Logan Bruce E, Regan John M. Electricityproducing bacterial munities in microbial fuel cell [J].TRENDS in Microbiology. 2020, 14(2):512518. [16] Lovely D .R. Microbial fuel cell: novel microbial physiologies and engineering approaches [J].Current Opinion in Biotechnology. 2020,17(3):327321. [17] Kim H J, Park H S, Hyun M S, et al. A mediatorless microbial fuel cell using a metal reducing bacterium, Shewanella putrefaciens [J].Enzyme ,2020,30(2):145152. [18] G M Walker, L R. Biological activated carbon treatment of industrial wastewater in stirred tan reactors [J].Chemical Engineering Journal, 1999, 75(3):201206. 致 謝 23 致 謝 衷心感謝我的老師鄭勝教授在我的論文選題、研究方案制定、成果總結(jié)以及論文寫(xiě)作過(guò)程中的嚴(yán)格要求和悉心指導(dǎo)，老師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、敬業(yè)的工作作風(fēng)、獨(dú)特的人格魅力，始終感染著我、激勵(lì)著我，這些都將成為寶貴的財(cái)富讓我終生受益。拉米尼 .安德魯 污水在依次經(jīng)過(guò)陽(yáng)極、好結(jié) 論 21 氧陰極和缺氧陰極的過(guò)程后，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)電、有機(jī)物的去除和硝化 反硝化脫氮。通過(guò) 多層金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)集電方式，可以有效地在大電流下將電子導(dǎo)出，提高產(chǎn)電性能。 （ 3）通過(guò)對(duì)活性焦填料型電極的構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化，使 MFC 的整體性能達(dá)到最優(yōu)。半焦的電阻率過(guò)大是其性能較差 的主要原因。 選取了較為廉價(jià)的半焦和活性炭與傳統(tǒng)的石墨和碳?xì)肿鳛殛?yáng)極和生物陰極電極材料進(jìn)行了性能對(duì)比。 （ 3）該 MFC 在間歇和連續(xù)運(yùn)行方式下分別可以穩(wěn)定運(yùn)行 20 d 以上。 延長(zhǎng) （ 2）在“陽(yáng)極 好氧陰極 缺氧陰極”的推流式處理流程下，該 MFC 可以在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)同步產(chǎn)電、脫氮和除碳。比表面積大的活性炭和半焦具有較好的陰極化學(xué)催化性能。 （ 2）對(duì)于陽(yáng)極材料，生物量與功率密度呈正相關(guān)關(guān)系，比表面積較大的活性炭最有利于產(chǎn)電菌附著生長(zhǎng)。 本章以填料型電極材料作為研究對(duì)象，選取了較為廉價(jià)的半焦和活性炭與傳統(tǒng)的石墨和碳?xì)诌M(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)果： （ 1）作為陽(yáng)極材料時(shí)，活性炭的最大功率密度比碳?xì)趾褪謩e高出 13%21%，半焦的性能最差。采用四種陽(yáng)極材料的 MFC 輸出 1W 的陽(yáng)極成本見(jiàn)表 。從圖 可以看出， 4 個(gè) MFC 的陰極電勢(shì)和陽(yáng)極電勢(shì)在開(kāi)路狀態(tài)下差別不大。 表 2 1實(shí)驗(yàn)藥品 名稱(chēng) 分析純 聚四氟乙烯溶液 分析純 碳布 無(wú) 丙酮溶液 分析純 鉑碳 化學(xué)純 石墨 化學(xué)純 Fe3O4/CJ 實(shí)驗(yàn)室自行制備的樣品 Fe3O4/CP 實(shí)驗(yàn)室自行制備的樣品 Fe3O4/CYK 實(shí)驗(yàn)室自行制備的樣品 重鉻酸鉀 分析純 濃硫酸 分析純 硫酸汞 分析純 實(shí)驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn)用儀器如表 22 所示。開(kāi)發(fā)廉價(jià)、高效的電極材料是推進(jìn) MFC 實(shí)用化的關(guān)鍵。 技術(shù)路線圖 基于推進(jìn) MFC 實(shí)用化這一研究目標(biāo)，本論文分為篩選、優(yōu)化和應(yīng)用三部分，見(jiàn)圖 。 研究?jī)?nèi)容 本研究主要 開(kāi)展以下研究工作： （ 1）廉價(jià)填料型電極材料的篩選 以提高生物陰極 MFC 填料型電極的性?xún)r(jià)比為出發(fā)點(diǎn)，選取廉價(jià)的半焦和活性炭材料與傳統(tǒng)的石墨和碳?xì)址謩e作為陽(yáng)極和生物陰極，進(jìn)行產(chǎn)電性能對(duì)比，并且通過(guò)對(duì)材料的物理特性、電極表面的生物量以及微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，解析電極材料產(chǎn)電性能差異的原因。但成本降低的同時(shí)通常也會(huì)帶來(lái)性能的下降。 表 列出了 MFC 常用電極材料的國(guó)內(nèi)價(jià)格。導(dǎo)電性良好且耐腐蝕的金屬材料是集電材料的首選。立體構(gòu)型的電極是未來(lái)的發(fā)展方向。對(duì)于生物電極而言，除了以上特性外，電極材料表面還需要對(duì)產(chǎn)電微生物具有良好的相容性，以利于微生物的附著生長(zhǎng)和電子傳遞、 MFC 電極研究展望 電極是 MFC 中影響性能和成本的核心組件，為了實(shí)現(xiàn) MFC 體積有效放大及滿足未來(lái)大規(guī)模工程應(yīng)用的要求，需要對(duì)其從降低成本、材料特性?xún)?yōu)化和構(gòu)型優(yōu)第 1 章 緒 論 11 化三個(gè)發(fā)面開(kāi)展研究。而根據(jù) MFC 電極反應(yīng)是否 需要微生物的參與， MFC 的電極又可以分為生物電極（包括陽(yáng)極和生物陰極）和化學(xué)電極（包括空氣陰極和以鐵氰化鉀為電子受體的陰極等）。此外，大型 MFC 長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和電能的收集利用方式也開(kāi)始被研究者所關(guān)注。目前全世界只有澳大利亞昆士蘭大學(xué)和美國(guó)賓州州立大學(xué)分別建成了MFC 產(chǎn)電和 MEC 產(chǎn)氫的中試裝置，但其性能及長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性未見(jiàn)報(bào)道。但是從運(yùn)行成本、功率產(chǎn)出和水處理效果方面進(jìn)行綜合考慮，生物陰極型 MFC 與空氣陰極型 MFC 各具優(yōu)勢(shì)。 與電極材料相比，目前關(guān)于分隔材料的研究相對(duì)較少。隨著 MFC 逐漸由實(shí)驗(yàn)室小試走向?qū)嵱没?，越?lái)越多的研究者在開(kāi)發(fā)新材料的同時(shí)開(kāi)始關(guān)注成本問(wèn)題。降低電子傳遞阻力的主要途徑是使用導(dǎo)電率高的電極材料 。此外，除產(chǎn)電以外的各項(xiàng)新功能也不斷被研究者開(kāi)發(fā)出來(lái)，同樣成為研究熱點(diǎn)之一 。對(duì)于分隔材料方面，價(jià)格昂貴的質(zhì)子交換膜已被離子交換膜所取代，成本下降，但由于使用量較大，其成本依然相當(dāng)可觀。 MFC 的成本主要來(lái)源于電極材料、分隔材料以及集電材料三部分。但是，在陰極成本降低后，目前 MFC 的造價(jià)依然較高。但對(duì)于其成本的關(guān)注相對(duì)較少。 由于溶液在生物膜表面存在邊界層，因此傳質(zhì)內(nèi)阻主要由電極反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物在邊界層中的傳遞阻力引起。但通常由于實(shí)驗(yàn)中所采用的底物組成較為復(fù)雜，或者產(chǎn)電菌的接種源為混合菌種，因而 MFC 中的微生物群落具有多樣性，其中直接與產(chǎn)電有關(guān)的微生物數(shù)量有限，從而使整個(gè)產(chǎn)電生物膜的活性不夠高。首先，產(chǎn)電微生物的數(shù)第 1 章 緒 論 7 量越多，陽(yáng)極的活化內(nèi)阻就越小（ Weietal., 2020）。這一點(diǎn)將在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)闡述。 Ri 與溶液電導(dǎo)率和傳遞通道的截面積均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與質(zhì)子傳遞距離和分隔材料在溶液中對(duì)離子的阻力呈正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)歐姆定律， Re 與電極材料的電導(dǎo)率有關(guān)，也與電子在電極材料中傳遞的距離和傳遞通道的截面積有關(guān)。 （ 1）功率密度低 根據(jù)電池的一般原理，其最大輸出功率 Pmax由開(kāi)路電壓 E 和內(nèi)阻 Ri 決定： 當(dāng) MFC 陽(yáng)極電子供體和陰極電子受體確定后， E 也就確定了因此功率密度低的原因在于內(nèi)阻較高。為此研究者開(kāi)發(fā)了許多高性能同時(shí)也是高成本的材料。但是，除了個(gè)別以實(shí)際污水作為處理對(duì)象的中試報(bào)道之外，絕大部分研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室水平。單室型只有一個(gè)陽(yáng)極室，其陰極與分隔材料壓合在一起，因此又稱(chēng)為“二合一”型。微生物新陳代謝，將有機(jī)物分解合成，此過(guò)程有電子的轉(zhuǎn)移，通過(guò)導(dǎo)線作用，構(gòu)成回路，就能得到電流。電子受體（如 O2 或 NO3）在這些微生物的作用下被還原。當(dāng)陰極 以氧氣作為電子受體時(shí)，其表面通常負(fù)載有化學(xué)催化劑。陰極室環(huán)境根據(jù)陰極電子受體的不同可能為好氧或厭氧。電子通過(guò)外電路傳導(dǎo)至陰極。陰極表面固定有化學(xué)催化劑或者附著有微生物。電池顧名思義就是產(chǎn)生電能的裝置，微生物燃料電池自然是通過(guò)微生物是實(shí)現(xiàn)的。 （ 5）能量可實(shí)現(xiàn)循環(huán)。微生物燃料電池消耗污水中的有機(jī)物，通過(guò)生物代謝作用，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，是一種綠色能源，它的特征如下： （ 1）原料廣泛：可利用多種底物。與常規(guī)的厭氧生物處理工藝相比，MFC 的能量轉(zhuǎn)化產(chǎn)物是易于被人們利用的電能，同時(shí)它在常溫下即可運(yùn)行，因而更具優(yōu)勢(shì)。微生物燃料電池（ Microbial fuel cell，簡(jiǎn)稱(chēng) MFC）是一種新型污水凈化裝置，它能夠利用微生物降解污水中的有機(jī)物，同時(shí)將其中所蘊(yùn)含的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化 為電能。有機(jī)物中的能量只有一部分部分被轉(zhuǎn)移至剩余污泥中。根據(jù)研究者對(duì)污泥中熱值的計(jì)算，每克 COD 中含有 的能量（ ShizasandBagley, 2020）。以美國(guó)為例，水處理能耗占到了全社會(huì)總能耗的 %（ Logan, 2020）。”在加大污水處理廠和管網(wǎng)建設(shè)的同時(shí)，污水處理廠的日常運(yùn)轉(zhuǎn)同樣面臨巨大的挑戰(zhàn)。《國(guó)家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》指出：“當(dāng)前，我國(guó)環(huán)境狀況總體惡化的趨勢(shì)尚未得到根本遏制，環(huán)境矛盾凸顯，壓力繼續(xù)加大。 Electricity production performance； degression。本文可為 MFC 陽(yáng)極材料優(yōu)化、產(chǎn)電微生物的富集、MFC 構(gòu)型改造等組合提供思路，其中著重討論的不同陽(yáng)極材料對(duì)微生物燃料電池的產(chǎn)電性能影響的相關(guān)內(nèi)容，可為篩選廉價(jià)、產(chǎn)電效率高的陽(yáng)極材料，推動(dòng)微生物燃料電池實(shí)用化提供參考。本研究選擇廉價(jià)的半焦和活性炭與傳統(tǒng)的石墨和碳?xì)蛛姌O材料進(jìn)行產(chǎn)電性能對(duì)比。摘 要 I 摘 要 微生物燃料電池（ Microbialfuelcell， MFC）能夠在處理污水的同時(shí)將污水中蘊(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，是一種低能耗的水處理技術(shù)，近年來(lái)成為環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文以推進(jìn) MFC 實(shí)用化為目標(biāo)，篩選用于陽(yáng)極和生物陰極的廉價(jià)填料型電極材料，通過(guò)電極材料特性和構(gòu)型的優(yōu)化提高其產(chǎn)電性 能，并將其應(yīng)用于放大的 MFC 裝置。并分析了不同陽(yáng)極材料表面的產(chǎn)電微生物