玉米秸秆在电化学辅助微生物厌氧系统中的转化和产电特性研究

论文摘要

电化学辅助的微生物厌氧体系（EMAS）能够以秸秆为生物质源材料,获取多种形式的产物（如H2、CH4等）,并且具有效率高、成本低、能量转化率高等优点。构建与驯化高效的以秸秆为底物的微生物燃料电池体系（MFC）是构建EMAS实现秸秆综合利用的必要步骤和关键技术之一。将秸秆粉碎后直接投加到微生物燃料电池体系中,利用两种不同构型的反应器,即碳刷阳极空气阴极瓶型反应器与碳刷阳极空气阴极立方体反应器,构建秸秆作为“燃料”的微生物燃料电池体系。实验中所用微生物燃料电池系统均使用50mM磷酸盐缓冲体系,以纤维素糖化菌群H C作为主要秸秆降解菌群,原位利用秸秆产电。以1g/L葡萄糖为底物时,瓶型反应器最大输出功率为651±10mW/m2,投加H C菌群与玉米秸秆粉末后,最大输出功率为599±15 mW/m2,稳定周期的秸秆平均降解率为31%;立方型反应器最大输出功率为769±3mW/m2,投加H C菌群与玉米秸秆粉末后受传质影响,反应器的电压波动较大,最大输出功率降低至444±36mW/m2。立方体秸秆平均降解率为17%。结果显示,在可溶性底物条件下,立方体性能较好,但由于传质影响,在利用秸秆固体方面,瓶型反应器优于立方型反应器。利用纤维素糖化菌群H C,微生物燃料电池系统外降解秸秆,过滤收集014日秸秆降解液,构建秸秆降解液作为“燃料”的微生物燃料电池体系。在14天的降解过程中,降解液COD呈波动上升状态,在第12天COD峰值达到2022mg/L。整个降解期间出现了三个明显的降解速率较高的时间段,分别出现在第3、7和12天附近。将秸秆降解液作为底物接入到微生物燃料电池体系中,秸秆降解液的最大功率输出与葡萄糖为底物时相比略低,但12、13两天采集的秸秆降解液作为底物时的最大功率密度（ 820.5±31.6mW/m2,851.1±13.5mW/m2）输出高于葡萄糖为底物时的最大功率密度（802.5±19.4 mW/m2）。电位分析结果显示,与葡萄糖为底物的反应器阳极电位相比,秸秆降解液的水解产物能使反应器的阳极电位保持在一个更低的水平,更有利于阳极微生物的生长与产电,但是由于降解液使得反应器阴极电位有所下降,导致秸秆降解液最大输出功率略低于葡萄糖。实验结果证实:利用秸秆降解液作为底物构建MFC体系是可行的,选取适当时间的秸秆降解液作为底物,可以获得优于葡萄糖对照的产电性能。启动放大的微生物燃料电池反应器为后续建立可应用于实际的EMAS体系利用秸秆及秸秆降解液为潜在资源创造条件。反应器的阳极采用碳刷,阴极采用空气阴极,容积250L。以生活污水为进水,经过450h的驯化,获得了0.140.18A的稳定输出电流。在生活污水中掺杂40%秸秆降解液后,通过极化曲线的测定,反应欧姆内阻仅为2.5±0.2Ω,最大功率输出为58mW （0.93W/m3）。放大微生物燃料电池系统的成功设计启动,可以使基于MFC技术的秸秆综合利用研究更具有实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 国内外能源形势
• 1.2 微生物燃料电池技术发展现状
• 1.2.1 微生物燃料电池产电机理
• 1.2.2 微生物燃料电池的优势和主要限制因素
• 1.2.3 微生物燃料电池底物发展现状
• 1.3 秸秆综合利用研究现状
• 1.4 研究内容和技术路线
• 1.5 课题来源
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 秸秆成分与来源
• 2.1.2 纤维素降解菌
• 2.1.3 产电菌菌源
• 2.1.4 磷酸盐缓冲溶液
• 2.2 仪器与药品
• 2.2.1 MFC 反应器
• 2.2.2 仪器与药品
• 2.3 分析与测量方法
• 2.3.1 数据采集与计算方法
• 2.3.2 测量方法
• 第3章 秸秆为MFC 底物的产电性能研究
• 3.1 空气阴极催化性能评价
• 3.2 瓶型MFC 秸秆产电性能研究
• 3.2.1 瓶型MFC 利用葡萄糖产电
• 3.2.2 瓶型MFC 秸秆产电性能
• 3.3 立方体MFC 秸秆产电性能研究
• 3.3.1 立方型MFC 接种与启动
• 3.3.2 立方体MFC 秸秆产电性能
• 3.4 本章小结
• 第4章 秸秆降解液为MFC 底物的产电性能研究
• 4.1 秸秆降解液的制备
• 4.1.1 秸秆降解液的接种
• 4.1.2 秸秆培养基及菌源液接种本底值
• 4.1.3 秸秆回收方法与回收率
• 4.1.4 秸秆降解液特征分析
• 4.2 立方体微生物燃料电池系统启动
• 4.2.1 空气阴极性能评价
• 4.2.2 立方型MFC 产电性能
• 4.3 MFC 利用秸秆水解液产电性能分析
• 4.3.1 秸秆水解液适应期
• 4.3.2 秸秆降解液产电性能研究
• 4.4 秸秆水解液产电性能综合评价
• 4.4.1 功率输出性能
• 4.4.2 电极电位和反应器内阻变化
• 4.4.3 反应器电压和周期变化
• 4.5 本章小结
• 第5章 放大微生物燃料电池设计与启动
• 5.1 大型微生物燃料电池系统设计
• 5.1.1 电池系统主体结构
• 5.1.2 单个电池模块的进水方式
• 5.2 放大的微生物燃料电池系统接种与启动
• 5.2.1 系统接种菌源与运行条件
• 5.2.2 系统启动期电压产生与变化
• 5.3 放大的微生物燃料电池系统运行参数与电能输出
• 5.3.1 系统运行前期进出水参数
• 5.3.2 系统电能输出性能
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢