微生物燃料电池处理苯酚和2氯酚的研究设计品.docx

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微生物燃料电池处理苯酚和2氯酚的研究设计品

微生物燃料电池的研究现状及应用前景处理苯酚和2-氯酚的研究设计说明书

目录

摘要

正文

1引言1

2确定实验内容与实验规划2

3筛选培养厌氧颗粒污泥促生剂的静态实验3

3.1实验材料、装置与方法3

3.1.1实验材料3

3.1.2实验装置3

3.1.3实验方法及分析方法4

3.1.3.1菌种的富集和驯化4

3.2实验结果与讨论4

3.2.1以不同有机物为底物的MFC启动特性4

3.2.2以不同有机物为燃料的MFC产电性能5

3.2.3MFC产电过程中对有机物的降解效果6

4讨论7

4.1MFC的产电性能7

4.2MFC的库仑效率7

5结论7

6研究创新点和设想8

7参考文献8

微生物燃料电池处理苯酚和2-氯酚的研究

摘要：

山西作为重要的能源基地，每年为全国输送大量煤炭及其副产品以保证各地生产、生活正常进行，经济持续发展。

然而在焦化、煤气等煤炭加工过程中产生的污（废）水往往含有多种有毒有害物质，其中酚基化合物，如苯酚、甲酚、氯酚、硝基酚等多种难降解物质，给废水处理带来了困难。

如果该类污（废）水得不到妥善处理，势必造成水体污染导致环境恶化。

生物法是去除污（废）水中污染物最经济的方法，微生物燃料电池（Microbialfuelcell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，它在降解废水中有机物的同时产生电能，由于其显著的能源和环境效益，受到了人们越来越多的重视。

目前，有学者对微生物燃料电池降解单一底物苯酚开展了一些研究，但针对含酚废水多底物降解的研究未见报道。

本项目就是针对实际含酚废水包含多底物的问题提出的，通过以苯酚和2-氯酚为燃料底物，以产电性能、COD去除率、有机物降解率为参数，考察MFC处理双底物的性能。

研究旨在为MFC处理难降解有机物提供可行性依据，同时为酚类等难降解有机物的高效低耗降解同时稳定向外输电的应用奠定基础。

采用的实验方法和取得的研究结果如下：

首先，以污水厂厌氧污泥作为原料，对菌群进行富集培养和驯化，筛选出能够利用苯酚、2-氯酚为底物的产电菌。

然后，利用驯化后的产电菌构建新型单室MFC以研究其产电特性。

实验结果表明，MFC在不同底物下有机物的降解率均在85%以上，COD去除率达到80%以上。

不同底物的MFC均可实现长时间稳定运行，以苯酚为单一底物时，最大输出电压达到331mV，最大输出功率密度为99mW/m2，连续产电周期为190h；以2-氯酚为单一底物时，最大输出电压达到208mV，最大输出功率密度为42mW/m2，连续产电周期为110h；以苯酚和2-氯酚为双底物时，最大输出电压达到258mV，最大输出功率密度为84mW/m2，连续产电周期为135h，说明低浓度苯酚的存在促进了低浓度2-氯酚的降解，表现出“共产电”现象，有利于MFC产电效能的提高，同时也为含酚废水的高效低能处理提供了新的研究方向

关键词：

微生物燃料电池，苯酚，2-氯酚，COD去除率，产电特性

1引言

我国属水资源紧缺的国家之一，人均占有量仅相当于世界平均水平的1／4，而我省由于地理位置特殊，水资源更是严重匮乏。

近些年来，经济的快速发展加剧了水体污染，一些企业将有毒有害的工业废水直接排至河道；许多小城镇和农村的生活污水未经处理就近流入水体……，由此造成了河流、湖泊的严重污染（见图1）。

以我省的情况来看，26条主要河流中就有近90%的河道遭受不同程度的污染，部分河流水体已失去使用功能。

我们都知道，水体被污染后通过饮水或食物链途径，污染物便会进入人体，引起急性或慢性中毒，直接威胁公众的生命健康和生活质量，同时对水生态系统也构成严重威胁（见图2）。

图1污水排放引起的水污染图2水污染引起的大批鱼死亡

如何有效控制水污染？

治理水污染有哪些途径呢？

带着这些疑惑我们利用节假日和课余时间查阅资料、登陆相关网站学习知识。

水体污染包括工业废水污染、城市污水污染、农业回流水污染、固体废弃物污染及其他污染。

其中，工业废水排放量约占总废水量的2／3左右。

目前处理污水的方法有物理法、化学法、电化学法和生物法，其中物理法和化学法会引起二次污染，电化学法需要外加电场消耗大量能量，而生物法是最经济最环保的方法，它利用微生物自身的生命活动将复杂的有机物分解为简单物质，使废水得到净化。

通过查阅各种资料书籍，我们了解到微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，它在降解废水中有机物的同时产生电能，如果能运用于实际污水处理过程中，能有广泛的应用前景。

由此，我们模仿文献中介绍的组装方法，并且进行了尝试：

从学校旁边的小河底部取了一杯黑色的淤泥，将碳布放入使污泥附着在上面，取来一个大口的饮料瓶，瓶口覆盖上碳布作为阴极，瓶侧剪开一个洞，将附着污泥的阳极放入，用葡萄糖加水配置了培养基，阴、阳极用导线连接形成回路，外电路接电阻和电压表。

我们每天仔细观察记录电压表度数。

然而，一个月过后，也没有观察到电流的产生，这个结果让大家感到有些沮丧，但也激起了我们继续尝试的动力。

针对以上的结果，我们咨询了王老师。

根据我们的困惑王老师为我们简明扼要地讲解了微生物燃料电池的基本原理和研究动态，向我们推荐了《微生物燃料电池》这本书以及十几篇有关微生物燃料电池处理废水的研究文献，并支持鼓励我们继续探索。

经过一段时间的反思思索，我们终于制定出了实验计划，并付诸实施。

2确定实验内容与实验规划

通过阅读文献，我们了解到污水厌氧生物处理是用厌氧反应器来实现的，要想获得高效的处理效果，其关键是在厌氧反应器中培养出产甲烷活性高、沉降性能好的颗粒污泥。

由于厌氧微生物生长速度很慢，在厌氧反应器启动中要形成颗粒污泥可能要花费数月甚至1年，这个缺陷在一定程度上限制了厌氧生物处理工艺的实际应用，所以培养用于处理污水的厌氧微生物颗粒是一项非常重要的技术研究工作。

厌氧微生物适应的生长温度是中温（30℃～45℃）环境，厌氧消化反应中的重要微生物——产甲烷微生物，对温度的变化是很敏感的，在常温条件下产甲烷菌的世代时间会更长、生长速度更慢，这成为限制厌氧反应器快速启动的主要因素。

另外，厌氧微生物增殖还需要补充必要的营养元素、微量金属元素和碱度，接种污泥的质量也是影响厌氧微生物增殖速率的重要因素。

从文献中了解到，岳老师曾在中温条件下完成了厌氧微生物快速颗粒化的研究，借鉴这个思路，经过讨论，我们提出了在常温条件下利用絮凝剂的促进作用、在厌氧序批式反应器（ASBR）中实现快速培养厌氧微生物颗粒的研究目标和实验方案。

第一阶段——通过静态实验筛选出适宜用于培养高效厌氧颗粒污泥的促生剂

借鉴血清瓶的实验方法，对比聚合氯化铝（PAC）、聚丙稀酰胺（PAM）和聚季铵盐（PQA）三种絮凝剂对厌氧微生物产甲烷活性、沉降性能和絮体强度的影响，筛选出用于培养高活性、高强度厌氧颗粒污泥的促生剂。

第二阶段——利用常温ASBR反应器的动态实验，实现厌氧颗粒污泥的快速形成

以破碎的厌氧颗粒污泥为接种污泥，将第一阶段筛选出的絮凝剂应用于厌氧序批式反应器（ASBR）动态实验，在常温运行条件下快速地培养出高效的厌氧颗粒污泥。

3筛选培养厌氧颗粒污泥促生剂的静态实验

3.1实验材料、装置与方法

3.1.1实验材料

苯酚，2-氯酚，牛肉膏，蛋白胨，Na2HPO4•12H2O，NaH2PO4•2H2O，NaCl，KH2PO4，（NH4）2SO4，FeSO4·7H2O，MgSO4·7H2O，CaCl2，NH4Cl，碳纸，石墨纤维

液体培养基：

牛肉膏50mg，蛋白胨100mg，NaCl50mg，蒸馏水1000ml，pH7.0～7.5。

无碳源培养基：

KH2PO43g、NaH2PO4·2H2O6g、（NH4）2SO40.5g、FeSO4·7H2O15mg、MgSO4·7H2O0.3g、CaCl250mg，蒸馏水1000ml，pH7.0～7.5。

接种污泥：

取自太原市杨家堡污水处理厂的污泥消化池。

3.1.2实验装置

实验装置如图3所示，包括：

（1）自制单室MFC反应器。

MFC主体采用大口塑料瓶，对其盖子进行加工，保留环形螺纹部分和顶端圆周的一小部分，将碳布阴极盖在大口瓶瓶口处，然后旋紧瓶盖，通过瓶盖固定碳布和电极，用密封剂密封以防止液体流出。

接着，将大口瓶侧放，在顶部钻孔，将阳极材料插入，向孔中塞入橡皮塞以密封。

阳极采用直径为5.0cm，长3.0cm的石墨刷；阴极采用内表面含0.40mg/cm2铂催化剂的碳布电极，不使用质子交换膜，与大气相通。

（2）外接电阻。

阳极与阴极间采用铜导线从外部连接构成回路，中间负载采用可调电阻箱或1KΩ定值电阻，铜导线外包绝缘材料。

（3）数据采集仪。

输出电压由数据采集仪自动记录，采集速率为5min一次。

图3实验装置图

3.1.3实验方法及分析方法

3.1.3.1菌种的富集和驯化

污泥样品取自太原市杨家堡污水处理厂。

污泥在常温下曝气48h后，取上清液20ml，加入至已灭菌的80ml液体培养基中，液体培养基成分为：

牛肉膏50mg，蛋白胨100mg，NaCl50mg。

摇床培养60h，转速150r/min，温度30℃；富集完成后，以4000r/min离心10min，倾去上清液，再用缓冲溶液清洗3次，制成菌悬液备用。

取菌悬液20ml接种至已灭菌的含有80ml液体培养基的250ml锥形瓶中，再加入一定量的苯酚和2-氯酚作为驯化物，置于摇床30℃振荡培养，转速150r/min，每3d进行一次转移接种，共驯化4轮，苯酚浓度从100mg/L逐步增加到400mg/L，2-氯酚浓度从50mg/L逐步增加到200mg/L。

然后，将液体培养基更换为无碳源培养基，无碳源培养基主要成分为：

KH2PO43g、NaH2PO4·2H2O6g、（NH4）2SO40.5g、FeSO4·7H2O15mg、MgSO4·7H2O0.3g、CaCl250mg。

加入苯酚和2-氯酚作为碳源，其他过程、条件不变继续驯化4轮，最后一轮驯化时，直至苯酚，2-氯酚浓度均降为50mg/L。

驯化过程中，将阳极石墨刷放入锥形瓶中，以便微生物在阳极挂膜。

实验时将悬浮污泥排空，仅剩阳极上的微生物膜．实验用水采用无碳源培养基。

1.电池产电性能测试

进行实验时，数据采集仪与计算机进行联机，计算机用于处理实验数据。

（1）外电路接入1KΩ定值电阻，测定电阻两端电压随时间的变化，以此为依据作出电池的放电曲线。

（2）将电阻箱阻值调节至20KΩ，稳定2小时，然后由大到小改变电阻值至100Ω，再从100Ω增加至20KΩ，每个电阻上停留2min，读取电压值。

计算时，取每个电阻对应的两个电压的平均值作为稳定电压，以此作出极化曲线和功率密度曲线。

2.污水处理效果评价

反应器在室温条件下间歇运行，当输出电压降低到50mV以下时，即可认为1个运行周期完成，从而更换新的基质开始下1个运行周期的测试。

阳极室测定苯酚、2-氯酚、COD的采样频率为每天1次。

每次采完水样，以测定后的苯酚，2-氯酚浓度配置废水，及时补充到阳极室内，以保证阳极室内溶液体积恒定。

苯酚和2-氯酚浓度采用Agilent1200液相色谱测定。

COD值采用快速测定仪测定，根据公式：

COD去除率=（CODi-CODe）×100%/CODi，得出电池对有机物的降解能力。

3.2实验结果与讨论

3.1以不同有机物为底物的MFC启动特性

分别以苯酚、2-氯酚作为单一底物和以苯酚及2-氯酚作为双底物时，MFC启动所需时间如图4所示。

以苯酚为底物的MFC在运行超过62h后，外电路输出电压开始快速上升；以苯酚和2-氯酚为双底物的MFC运行超过78h后，外电路输出电压也开始迅速升高，但升幅略低于以苯酚为单一底物时的输出电压；而利用2-氯酚为单一底物的MFC适应时间需90h。

这表明，产电菌对2-氯酚的利用较为困难，使得MFC启动时间大大延长，相应的输出电压也降低。

但结果显示，只要经过一段时间驯化，MFC中的产电菌能够以苯酚或2-氯酚为底物，在降解有机物的同时产生电能。

图4MFC启动期电压随时间的变化

3.2以不同有机物为燃料的MFC产电性能

单室无质子交换膜MFC，在外部电路接入1KΩ电阻时，电阻两端的电压随时间的变化关系如图5、图6、图7所示：

以苯酚为单底物时，MFC平均产电周期为190h，最大输出电压达331mV，最大输出功率密度为99mW/m2。

结果表明，实验所构建的单室MFC随着底物的不断补充，可以长期稳定运行，反复放电。

图5以苯酚为单一底物时MFC的产电性能

当以苯酚和2-氯酚为双底物时，连续周期性运行结果如图4所示，从图中可看出，在450h的运行过程中，更换了3次阳极液，三个周期平均运行时间为135h，最大输出电压达到258mV，最大输出功率密度为84mW/m2。

图6以苯酚和2-氯酚为双底物时MFC的产电性能

以2-氯酚为单一底物时，连续周期性运行结果如图5所示，从图中可看出，在稳定运行的3个周期内，每个周期平均运行时间为110h，MFC的最大输出电压为208mV，最大输出功率密度为42mW/m2。

图7以2-氯酚为单一底物时MFC的产电性能

3.3MFC产电过程中对有机物的降解效果

分别以苯酚，2-氯酚为单底物和以苯酚、2-氯酚为双底物时，MFC阳极室中有机物降解率和COD去除率随时间的变化分别见图8，图9和图10。

从图中可以看出，在不同底物条件下，有机物在阳极室微生物的作用下基本可实现完全分解，其中有机物降解率都可到达85%以上，COD的去除率均在80%以上。

以苯酚为单底物的MFC中降解率高，达96.5%，COD去除率为91.8%；以苯酚和2-氯酚为双底物的MFC中，苯酚降解率为91.7%，2-氯酚降解率为87.9%，COD去除率为89.2%；而以2-氯酚为单一底物的MFC中降解率为85.3%，COD去除率为83.3%。

图8以苯酚为单一底物时MFC中有机物降解率和COD去除率随时间的变化

图9以2-氯酚为单一底物时MFC中有机物降解率和COD去除率随时间的变化

图10以苯酚和2-氯酚为双底物时

MFC中有机物的降解率和COD去除率随时间的变化

4.讨论

4.1MFC的产电性能

比较利用不同底物MFC的产电周期、最大输出电压和最大功率密度的结果显示，400mg/L苯酚作为单底物时MFC的产电效果最好，200mg/L2-氯酚为单底物时产电效果最差。

双底物时，产电效果介于两种单底物MFC产电效果之间，说明低浓度苯酚的存在促进了低浓度2-氯酚的降解。

通过计算，双底物MFC产电量大于两单底物产电量之和，呈现“共产电”现象，其原因可能是苯酚的存在，刺激了产电菌产生新的2-氯酚的厌氧降解途径，从而增强了2-氯酚的降解速率和完全性。

4.2MFC的库仑效率

本实验中的MFC以苯酚、苯酚和2-氯酚、2-氯酚为底物时，库仑效率分别为23.8%，25.4%和15.9%，造成库仑效率偏低的原因可能有以下几点：

1）实验初期对产电菌的驯化不够充分，使得阳极所挂生物膜中非产电菌占多数；2）所构建的单室MFC以氧气作为阴极电子供体，而氧气向阳极扩散也可导致电子损失；3）苯酚和2-氯酚对微生物有抑制作用，有可能降低产电菌的活性，从而减少电能输出。

5.结论

1．单室MFC能够以苯酚和2-氯酚为底物，在高效降解有机物的同时实现向外电路输出能量。

2．以苯酚，苯酚和2-氯酚，2-氯酚分别作为底物时，MFC的启动时间、运行周期、最大输出功率密度和最大输出电压明显不同，其中以苯酚为单一底物时MFC的产电性能最高，而以2-氯酚作为单一底物时性能最低，双底物电池性能则介于两者之间。

说明低浓度苯酚的存在促进了低浓度2-氯酚的降解和产电性能的提高。

3．以苯酚，苯酚和2-氯酚，2-氯酚分别作为底物时，MFC的库仑效率分别为23.8%，25.4%和15.9%。

计算显示，双底物MFC产电量大于两单底物产电量之和，呈现出“共产电”现象，有利于MFC产电效能的提高

4．苯酚和2-氯酚均能在阳极室微生物的作用下基本达到完全分解，实现了单室MFC产电和降解的双重功效。

其中有机物降解率均在85%以上，COD去除率达到80%以上。

6．研究创新点和设想

1．改良了传统的设计，首次构建了降解酚类废水的单室微生物燃料电池,提高了阴极传质速率，且无需曝气而降低了运行费用，结构简单，同时通过去除质子交换膜而进一步提高了MFC电能输出的效率。

优化的MFC可降低构建和运行成本，便于工业放大，推动MFC技术应用于实际污水处理

2．本研究首次测试了以苯酚和2-氯酚为底物的MFC，电池在有效降解有机物的同时实现了稳定放电，并且互相促进出现了“共产电”现象，有利于提高电池的产电能力和输出功率，为实现含酚废水的高效利用提供了实验依据。

对MFC的深度开发，可带来直接、间接的生态和社会效益，对解决能源问题、水污染问题都具有重要的现实意义。

进一步完善该项目的设想为提高MFC的产电效率及运行稳定性；设计、扩大MFC系统，促进规模化应用；进行直接污水实验，确定MFC的实际运行效果。

7．参考文献

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