含氮雜環(huán)化合物對(duì)微生物燃料電池性能影響的研究.pdf

1、難降解有機(jī)物是指被微生物降解速度慢且分解不徹底的一類(lèi)有機(jī)物，如雜環(huán)類(lèi)化合物、酚類(lèi)化合物等。其中很多物質(zhì)生物降解性能很差，在自然環(huán)境中不易被生物降解，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地存在于土壤和水體中，對(duì)人體和動(dòng)物具有毒性作用如致癌、致畸、致突變等，已經(jīng)構(gòu)成了對(duì)人類(lèi)身體健康和生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重威脅。因此，難降解有機(jī)污染物的治理一直是環(huán)保領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。目前，在難降解有機(jī)物的處理方面開(kāi)發(fā)了許多新技術(shù)包括：氧化技術(shù)、電解技術(shù)、生物強(qiáng)化技術(shù)、細(xì)胞固定化技術(shù)、

2、生物強(qiáng)化技術(shù)、酶技術(shù)等。這些處理方法基本上都存在著操作條件嚴(yán)格、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、成本過(guò)高、伴隨有毒污染物生成等弊端。
　　 目前，解決日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題和探尋新的能源是人類(lèi)社會(huì)能夠完成可持續(xù)發(fā)展的兩大根本性問(wèn)題。微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)是一種微生物技術(shù)與電池技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是以微生物為催化劑，將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。MFC結(jié)合了生物法處理廢水核心技術(shù)一有氧代謝方式和無(wú)氧代謝方

3、式的優(yōu)點(diǎn)，它在有效處理廢水的同時(shí)能夠產(chǎn)生電能，該特性為廢水處理技術(shù)持續(xù)發(fā)展提供了新的思路。近年來(lái)，微生物燃料電池作為一種新型的能量轉(zhuǎn)化方式，受到研究者的廣泛關(guān)注。MFCs利用的燃料包括易降解有機(jī)物(如有機(jī)酸和糖類(lèi))，難降解有機(jī)物(如木質(zhì)素和苯酚)，模擬廢水和實(shí)際廢水(如啤酒廢水和淀粉加工廢水)都取得了較好的效果。微生物燃料電池的研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)涉及到從微生物、電化學(xué)到材料學(xué)和環(huán)境工程等科學(xué)領(lǐng)域。
　　 本文介紹了微生物燃料電池的基

4、本特征及其最新的研究進(jìn)展，難降解有機(jī)物處理新技術(shù)，設(shè)計(jì)并自制雙室微生物燃料電池，以長(zhǎng)沙市某污水處理的厭氧污泥為接種液進(jìn)行了產(chǎn)電細(xì)菌的馴化，以有毒難降解的典型含氮雜環(huán)化合物為燃料，比較研究不同底物及濃度的產(chǎn)電性能和有機(jī)質(zhì)的去除效率，微生物燃料電池技術(shù)與傳統(tǒng)厭氧生化處理技術(shù)在生物降解含氮雜環(huán)化合物方面的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)GC/MS的分析結(jié)果推測(cè)不同底物在MFC中的生物降解途徑。同時(shí)也考察僅以厭氧污泥為底物單獨(dú)存在時(shí)，微生物燃料電池中的產(chǎn)電情況及分析

5、其污泥成分變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，以厭氧污泥作為接種物，對(duì)研究含氮雜環(huán)化合物在微生物燃料電池中的產(chǎn)電性能影響不大。在給定菌種來(lái)源條件下，分別以吡啶、喹啉和吲哚作為唯一碳源時(shí)，雙室微生物燃料電池的輸出電壓曲線呈有規(guī)律的三個(gè)階段：上升階段、平臺(tái)階段、下降階段，但產(chǎn)電能力存在著差異，其中吲哚和喹啉的輸出功率明顯高于吡啶，這反映了厭氧活性污泥對(duì)不同底物及濃度的產(chǎn)電選擇性。DMFC的最大輸出電壓分別為524mV(吲哚，120mg/L)，494mV(喹

6、啉，120mg/L)，413mV(吡啶，60mg/L)，相應(yīng)的最大輸出功率密度分別為228.8mW/m2，203.4mW/m2，142.1mW/m2(按外電阻1000Ω和陽(yáng)極截面積計(jì)算)，隨著底物濃度的增大，雙室燃料電池的最大輸出電壓升高，產(chǎn)電周期和平臺(tái)持續(xù)時(shí)間也增長(zhǎng)。但吡啶沒(méi)有像喹啉和吲哚一樣表現(xiàn)出此規(guī)律。同時(shí)MFC對(duì)各種含氮雜環(huán)化合物的降解效率和COD的去除率分別達(dá)到90％和88％以上。含氮雜環(huán)化合物產(chǎn)電性能和降解情況的不同與其本身

7、的分子結(jié)構(gòu)、電荷特性、物理化學(xué)特性等有很大的關(guān)系。MFC閉路條件下對(duì)底物的降解速率高于開(kāi)路厭氧條件下降解速率約10％，這表明，在MFC運(yùn)行條件下有可能促進(jìn)相應(yīng)微生物對(duì)含氮雜環(huán)化合物的利用和分解，也可能存在新的厭氧降解途徑，從而增大了底物的降解速率。同時(shí)利用GC/MS檢測(cè)到了各基質(zhì)的代謝中間產(chǎn)物，并推測(cè)了其生物降解途徑。MFC可以在實(shí)現(xiàn)高效降解含氮雜環(huán)化合物的同時(shí)可穩(wěn)定地向外輸出電能，這為含氮雜環(huán)芳烴類(lèi)難降解有機(jī)物的高效低耗處理提供了新的