【文章內(nèi)容簡介】 養(yǎng)，微藻光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物 (例如分泌的多糖 )供給異養(yǎng)產(chǎn)電微生物進(jìn)行氧化分解， MFC通第一章 文獻(xiàn)綜述 5 過這種藻菌增效的方式進(jìn)行產(chǎn)電。 藻菌協(xié)同產(chǎn)電的現(xiàn)象在自然生境中多見。例如沉積型 MFC中就存在藻和細(xì)菌形成的生物膜，彼此之間形成增效關(guān)系。 He等 [21]曾在一個未添加任何有機(jī)物或營養(yǎng)物的淡水沉積物MFC中觀察到電流的產(chǎn)生；電流強(qiáng)度在光 照階段下降，在黑暗階段上升，持續(xù)的黑暗培養(yǎng)會導(dǎo)致電流下降；分子分類分析法表明此沉積型 MFC中靠近陰極的沉積表面層多數(shù)為藍(lán)藻和其他型微藻，越往下層異養(yǎng)微生物越占優(yōu)勢，且微生物種類越少。分析結(jié)果證明正是微藻等光合自養(yǎng)微生物產(chǎn)生的有機(jī)物供給了異養(yǎng)微生物的生長及產(chǎn)電，但光合作用的產(chǎn)物 O2也會對異養(yǎng)產(chǎn)電微生物的產(chǎn)電有所抑制。 微藻生物陰極 型 MFC 將微藻放置 MFC陰極室培養(yǎng)，光合作用產(chǎn)生的 O2可以加速陰極室的氧化還原速率；同時可吸收利用 MFC陽極室反應(yīng)釋放出的 CO2，或?qū)χ苓叚h(huán)境中的 CO2進(jìn)行捕捉；若選 擇能源型或經(jīng)濟(jì)價值型微藻，還可進(jìn)行藻體的有價回收，降低 MFC成本，可謂一舉多得。 1964年 Berk等 [6]已提出這一構(gòu)想并進(jìn)行研究，最近一些科學(xué)家也開始進(jìn)行此項研究。 Powell等 [22,23,24,25]以培養(yǎng)小球藻 (Chlorella vulgaris)的光反應(yīng)器作為 MFC的陰極室進(jìn)行了系列研究。首先對小球藻陰極半電池的可行性進(jìn)行驗證：以亞鐵氰化鉀作為陽極半電池電子供體的條件下構(gòu)建的小球藻生物陰極型 MFC，獲得 70mv輸出電壓、 (以陰極表面積計 )功率密度、和 (以干藻重計 )電流輸出；隨后陽極以 Saccharomyces cerevisiae(釀酒酵母菌 )發(fā)酵培養(yǎng)產(chǎn)乙醇，陰極光合培養(yǎng) Chlorella vulgaris的方式構(gòu)建了一個兩極完全微生物燃料電池，獲得 ，分析結(jié)果表明相對于陽極酵母菌的快速生長，陰極小球藻的緩慢生長速率是產(chǎn)電的主要限制因素；以上述研究為基礎(chǔ)，提出了以某生物乙醇制造廠已有發(fā)酵罐作為 MFC電池系統(tǒng)的陽極半電池，在其周圍建立小球藻光生物反應(yīng)器陰極半電池的 MFC綜合系統(tǒng)項目設(shè)想，并進(jìn)行了應(yīng)用策劃和經(jīng)濟(jì)可行性分 析評估。該 MFC綜合系統(tǒng)可以同時達(dá)到收獲電能、生物柴油和 CO2捕捉的三重功效，具有可觀的經(jīng)濟(jì)價值。 微生物燃料電池的應(yīng)用前景 隨著社會與經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展 ,能源消費將逐年增加。能源的大量消耗同時也帶來了地球氣溫變暖、酸雨增加等各種問題。為了使人類使用的能源能穩(wěn)定持久的供應(yīng) ,為了保護(hù)地南京工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 球生態(tài)環(huán)境 ,近一段時間以來 ,新能源的研制開發(fā)受到普遍的重視，各國都在加快步伐開發(fā)代替現(xiàn)有能源的清潔能源。微生物燃料電池作為一種新能源，其發(fā)電技術(shù)正引起各國科學(xué)家注目并被積極地著手進(jìn)行優(yōu)化改善。到目前為止 ,雖然微生 物燃料電池的發(fā)電效率仍然比較低，距離大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x [26]，但隨著微生物燃料電池技術(shù)在研制和開發(fā)應(yīng)用中取得不斷的進(jìn)展，相信其作為一種清潔、高效而且性能穩(wěn)定的電源技術(shù)，將逐漸走進(jìn)正式大型工業(yè)化應(yīng)用階段，使用微生物電池處理污水一方面可以為微生物燃料電池提供一個新的研究方向，另一方面，為處理污水，將無用資源轉(zhuǎn)變?yōu)榭缮a(chǎn)能量的有用資源提供了新的發(fā)展方向。而且微生物燃料電池將污水中可降解有機(jī)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)了污水處理的同時產(chǎn)生新資源的新概念發(fā)展。在采用污水作為原料的 MFC中，通過陽極的微 生物修飾，將有效提高電池的輸出功率 [27,28]，同時對 MFC反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)優(yōu)化，從而提高性能降低生產(chǎn)運行成本，也是目前其發(fā)展改進(jìn)的一個大趨勢。通過近年來不斷地研究， MFC在實際應(yīng)用的道路上正一步步向前邁進(jìn)，隨著其效能及成本方面的不斷突破， MFC作為一種新型清潔能源的前景將不可忽視。 本課題研究內(nèi)容，目的及意義 本課題研究目的及意義 研究 已經(jīng) 證明，幾乎所有的有機(jī)廢水都可以被用來產(chǎn)電，因此 MFC技術(shù)可用于一切需要進(jìn)行有機(jī)廢水處理的領(lǐng)域，包括市政污水處理廠和產(chǎn)生高濃度廢水的工業(yè)（例如 處理畜牧場或者食品加工廠的廢水等），在遠(yuǎn)離人群的駐地、工作站、潛艇及極端條件下的封閉和半封閉系統(tǒng)中也具有很好的應(yīng)用前景。 能源微藻類生物陰極型 MFC在產(chǎn)電的同時，還可實現(xiàn)污染治理、零碳排放、生物能源獲取等多種功能 ， 因此具有 巨大的 經(jīng)濟(jì)和 環(huán)境效益 。此 MFC技術(shù)一旦進(jìn)入市場化運作， 將會 對能源和環(huán)境問題的解決帶來不可估量的作用和社會價值。 本課題的主要研究內(nèi)容 本文利用自行創(chuàng)新設(shè)計的陰極利于小球藻生長的 MFC反應(yīng)器作為實驗?zāi)Ｐ?，首先以正常陰極液對其進(jìn)行啟動運行，待陽極產(chǎn)電菌富集成熟，電池產(chǎn)電穩(wěn)定以后分別考 察了陰極正常運行期、陰極加藻期、陰極換載鉑電極期、陰極持續(xù)光照期這四個不同周期運行條件下該 MFC的產(chǎn)電情況、陰極小球藻的生長情況、陰極溶氧情況及陽極人工廢水的 COD處理情況，為能源微藻生物陰極型 MFC的研究提供基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。 第二章 實驗材料與方法 7 第二章 實驗材料與方法 主要試劑及儀器 主要試劑 表 21 實驗主要試劑列表 Table21 The main reagents used in the experiments 試劑名稱 規(guī)格 生產(chǎn)廠家 鹽酸 分析純 AR 上?；瘜W(xué)試劑有限公 司 氯化鈉 分析純 AR 上海中試化工總公司 氯化銨 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠 磷酸氫二鈉 化學(xué)純 CP 汕頭市西隴化工廠 氫氧化鈉 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠 磷酸 二 氫鈉 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠 氯化鉀 分析純 AR 上海凌峰化學(xué)試劑有限公司 葡萄糖 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠 B12 生物試劑 BR 上海市國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 VH 生化試劑 BR 上?；菖d生化試劑有限公司 煙酸 化學(xué)純 CP 上?；菖d生化試劑有限公司 VB5 生化試劑 BR 上?；菖d生化試劑有限公司 VB6 生化試劑 BR 上?；菖d生化試劑有限公司 B2 生化試劑 BR 上海惠興生化試劑有限公司 VB1 生化試劑 BR 上?；菖d生化試劑有限公司 CaCl22H2O 分析純 AR 汕頭市西隴化工有限公司 NaCl 分析純 AR 汕頭西隴化工股份有限公司 NaNO3 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠有限公司 磷酸氫二鉀 分析純 AR 上海凌峰化學(xué)試劑有限公司 硫酸鎂 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠有限公司 檸檬酸 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠有限公司 乙二胺四乙酸二鈉 分析純 AR 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 南京工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 Na2CO3 分析純 AR 上海凌峰化學(xué)試劑有限公司 主要儀器 表 22 實驗主要儀器列表 Table22 The main instruments used in the experiments 名稱 生產(chǎn)廠家 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥器（ DHG90102SA 型） 上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司 手提式不銹鋼壓力蒸汽滅菌器（ SYQDSX280A 型） 上海申安醫(yī)療器械廠 醫(yī)用冷藏冷凍箱（ YCDEL259 型） 中科美菱低溫科技有限責(zé)任公司 數(shù)據(jù)采集 函數(shù)記錄儀（ HPXY8B 型） 南京賀普科技 有限公司 旋轉(zhuǎn)式電阻箱（ ZX21 型） 上海精密儀器有限公司 COD 快速測定儀（ 5B3C 型） 蘭州連華環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司 臺式冷凍恒溫振蕩器（ THZC1 型 ） 太倉市實驗設(shè)備廠 分析天平（ AUY120 型） 島津國際貿(mào)易 (上海 )有限公司 Eppendorf Research 移液器 Y188814R/Y187998P/YY188809R 上海艾本德生物技術(shù)國際貿(mào)易有限公司 數(shù)控超聲波清洗器 南京壘君達(dá)超聲電子設(shè)備有限公司 單人凈化工作臺 蘇州凈化設(shè)備有限公司 循環(huán)水式真空器（ SHZ三型 ） 南京科爾儀器設(shè)備有限公司 BT100— 2J 蠕動泵 保定蘭格恒流泵有限公司 紫外分光光度計 上海美譜達(dá)儀器設(shè)備有限公司 溶解氧測定儀 上海精科有限公司 實驗裝置 實驗所用裝置如圖 1 所示， 采用陽極室 UASB（上流式厭氧污泥床）結(jié)構(gòu)與陰極室管狀光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的池型 結(jié)構(gòu)相結(jié)合， 電池主要由陽極室 陽極電極 質(zhì)子交換膜 陰極室 陰極電極 負(fù)載 導(dǎo)線 7 七部分組成 ，陽極室裝液量為 500ml，陰極室裝液量為 300ml。 第二章 實驗材料與方法 9 圖 21 小球藻生物陰極型微生物燃料電池體系示意圖 Figure 21 Chlorella Bio cathode microbial fuel cell system schematic MFC 的接種及啟動運行 實驗以長期運行 MFC 陽極出水及陽極碳?xì)稚细街纳锬?MFC 陽極菌種來源，陽極出水接種量為 200mL。 陽 極室供給的 底物 為葡萄糖 人工廢水 ，其組成為 ： 表 21 陽極培養(yǎng)液 Table21 The anodic medium 成分 加入量 維生素母液 礦物質(zhì)母液 葡萄糖 1g/L 南京工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 NH4Cl KCl Na2HPO4 4. 576g/L NaH2PO4 其中維生素母液和礦物質(zhì)母液組分分別如下表： 表 22 維生素母液 Table22 The vitamins liquid 維生素母液成分 濃度（ g/L） B12 VH 葉酸 煙酸 對氨基苯甲酸 VB5 VB6 1 B2 VB1 硫辛酸 泛酸 表 23 礦物質(zhì)母液 Table23 The minerals liquid 礦物質(zhì)母液成分 濃度（ g/L） AlK（ SO4） 12H2O CaCl22H2O CoCl26H2O CuSO45H2O FeSO47H2O H3BO3 MgSO4 3 MnSO42H2O 第二章 實驗材料與方法 11 Na2MoO42H2O Na2Wo42H2O NaCl 1 陰極液為磷酸緩沖液，其具體組成如下表： 表 24 陰極緩沖液 Table24 The cathodic buffer 成分 加入量 KCl Na2HPO4 4. 576g/L NaH2PO4 陰陽極液配置好后均調(diào)至 pH=7。 MFC 的啟動通過定期更換陽極液來完成，當(dāng) MFC 產(chǎn)電降至 50mV 左右視作一個周期結(jié)束，然后更換陽 極液再運行一周期，持續(xù)更換陽極液后待某一周期 MFC 產(chǎn)電穩(wěn)定視為啟動結(jié)束 ， MFC 可進(jìn)行各因素實驗。 MFC 運行條件 MFC 陰陽極電極均為碳?xì)郑枠O（ 9cm*），陰極（ *5cm），電極間距約9cm，質(zhì)子交換膜為 Nafion117（ 7cm2），室溫（ 20℃ 177。 5℃）下運行 ， 電池負(fù)載 1000 歐，陽極液初始 COD=1000mg/L。 小球藻生物陰極型 MFC 培養(yǎng)條件（除實驗因素外）統(tǒng)一光強(qiáng) 2020lux，光暗間歇（ 12:12），陰極液配方在普通 MFC 陰極液的基礎(chǔ)上添加 BG11 培養(yǎng)基成分， 其具體組成如下表： 表 25 BG11 培養(yǎng)基成分表 Table25 The BG11 medium BG11 培養(yǎng)基成分 濃度 NaNO3 2g/L CaCl22H2O 10mL K2HPO43H2O 檸檬酸 10mL 乙二胺四乙酸二鈉 10mL MgSO47H2O 10mL Na2CO3 10mL 南京工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 12 微量金屬元素母液 1mL 維生素 測定指標(biāo)及方法 （ 1） 、電壓和電流 實驗過程中，微生物燃料電池的電壓由南京賀普 HPXY8B 數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)自 動記錄存儲。電流由 I=U/R 計算而得。 （ 2） 、功率密度 功率密度 P 為基于陽極面積的功率，單位（ mW/m2)按公式計算： P=UI/A(A 為陽極有效面積）。