利用微生物电池技术处理废水
污水处理中的微生物燃料电池技术及应用
污水处理中的微生物燃料电池技术及应用近年来，随着人们环保意识的增强以及对可再生能源的需求增加，微生物燃料电池作为一种新兴的技术在污水处理领域得到了广泛的关注和应用。
本文将对污水处理中的微生物燃料电池技术及其应用进行探讨。
一、微生物燃料电池的原理及分类微生物燃料电池是利用微生物将有机物氧化成能量的过程中释放出的电子进行转换，从而产生电能。
其基本原理是通过将污水作为底物供给微生物，微生物将底物分解产生电子，通过电子传导体将电子从阳极传递到阴极，从而产生电流。
根据微生物的种类和底物利用方式的不同，微生物燃料电池可以分为降解有机物和还原有机物两种类型。
1. 降解有机物型微生物燃料电池降解有机物型微生物燃料电池主要利用厌氧微生物将有机物降解成二氧化碳、水和电子的过程中释放出的电子进行转化。
这种类型的微生物燃料电池对污水具有较高的处理效率，并且能够同时产生电能。
2. 还原有机物型微生物燃料电池还原有机物型微生物燃料电池主要利用厌氧微生物将有机物还原成甲烷等可燃气体的过程中释放出的电子进行转化。
这种类型的微生物燃料电池对底泥等有机物质也具有处理效果，并且可以产生可再生的天然气。
二、微生物燃料电池在污水处理中的应用1. 污水处理厂微生物燃料电池技术在污水处理厂中得到了广泛应用。
通过微生物燃料电池，污水处理厂可以同时实现废水的处理和电能的产生，提高资源的利用效率。
此外，微生物燃料电池还可以降低底泥的产生量，避免了传统处理方法中对底泥的处理和处置问题。
2. 农村污水处理微生物燃料电池技术也可用于农村地区污水处理。
农村地区普遍存在污水处理设施较为落后的情况，而微生物燃料电池可以利用废弃物等可再生资源在农村地区进行污水处理，并且产生电能供给当地使用，解决了污水处理和能源供应的问题。
3. 微电网建设微生物燃料电池技术也可以应用于微电网建设中，通过将多个微生物燃料电池串联，可以形成能源互联网，实现能量的供需平衡。
这种形式的应用不仅能够实现污水处理和能源产生的双重效益，还能够为当地农村地区提供可靠的能源供应。
污水处理中的微生物电化学技术
农村污水处理
农村污水处理是微生物电化学技术的又一应用领域。由于农村地区基础设施相对薄弱，传统的污水处 理方法难以覆盖，因此需要一种低成本、易维护的处理技术来解决农村污水处理问题。微生物电化学 技术正是一种适合农村地区应用的污水处理技术。
降低处理成本
该技术的应用可以降低污水处理 过程中的能耗和物耗，从而降低 处理成本，提高经济效益。
促进可持续发展
微生物电化学技术符合可持续发 展的理念，有助于推动人类社会 与自然环境的和谐发展。
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资源回收与能源利用
该技术可以将污水处理过程中的有机物转化为电 能或氢能等可再生能源，实现资源的回收和能源 的再利用。
促进生态平衡
微生物电化学技术可以减少化学药剂的使用，降 低对环境的污染，同时促进微生物的生长和繁殖 ，有助于维护生态平衡。
对未来污水处理技术的启示与影响
创新污水处理工艺
微生物电化学技术为污水处理领 域提供了新的思路和方法，有助 于推动污水处理工艺的创新和发 展。
解决方案
针对这些问题，研究者们正在探索新型电极材料、优化反应器设计和提高能量 转化效率的方法，如使用三维电极、优化电解液组成和反应条件等。
成本与经济效益分析
成本
微生物电化学技术的成本主要包括设备 投资、运营维护和人力成本等。目前该 技术的成本相对较高，但随着技术的进 步和应用规模的扩大，成本有望逐渐降 低。
VS
微电池反应器处理废水的构造原理装置
微电池反应器处理废水的构造原理装置微电池反应器（Microbial Fuel Cell,MFC）是一种利用微生物代谢过程中产生的电能来处理废水的装置。
它结合了微生物学、电化学和工程学等多个领域的知识。
以下是微电池反应器处理废水的构造原理和装置的简要介绍。
构造原理：1.微生物降解：废水中的有机物质通过微生物的代谢作用被分解成较小的分子，如二氧化碳、水和一些简单的有机酸。
2.电子转移：在微生物降解过程中，一部分有机物质会被氧化，产生电子（e-）。
这些电子通过微生物的细胞膜或细胞外的电子传递链转移到电极上。
3.电能产生：电子在电极上的积累产生电能，这些电能可以用来驱动外部电路，如照明、加热或供电。
4.氧化反应：在电池的另一极（阳极），氧气或其他氧化剂接受电子并与水反应生成氢氧根离子（OH-）。
5.pH调节：氢氧根离子的生成有助于提高废水的pH值，从而改善废水的可生物降解性。
装置组成：1.反应器本体：通常是一个密封的容器，用于容纳废水、微生物和电极。
2.阳极：阳极是电子离开微生物细胞的地方，通常由导电材料（如碳棒、石墨等）制成。
3.阴极：阴极是电子流入的地方，通常也是一个导电材料制成的电极。
4.电解质：电解质是电池内部的导电介质，它允许电子在阳极和阴极之间流动。
5.微生物床：微生物床是含有微生物的介质，它提供了微生物生长和代谢的环境。
6.进水系统：用于将废水引入反应器。
7.出水系统：用于将处理后的废水排出反应器。
8.电子管理系统：用于收集、传输和利用微生物代谢过程中产生的电能。
微电池反应器处理废水的过程不仅能够减少有机污染物的负荷，还能够回收能量，实现废水的资源化。
然而，M FC技术在实际应用中还面临着一些挑战，如电极的腐蚀、电池的长期稳定性、废水中的毒性物质对微生物的影响等。
因此，研究人员正在不断探索和改进MFC的设计和操作条件，以提高其处理废水的效率和可靠性。
用于污水处理的微生物燃料电池研究最新进展
用于污水处理的微生物燃料电池研究最新进展引言随着城市化进程的加速，工业和人口的增加导致了污水处理成为现代社会中一项重要而紧迫的任务。
传统污水处理方法包括物理化学处理以及好氧和厌氧池等方法，但这些方法存在能耗高、成本昂贵以及产生副产物等问题。
为了解决这些问题，近年来微生物燃料电池作为一种新颖的方法在污水处理领域迅速崛起。
本文将就微生物燃料电池在污水处理方面的最新研究进展进行综述。
微生物燃料电池的原理及结构微生物燃料电池是一种利用微生物代谢过程中产生的电子来从有机物中收集和储存能量的设备。
其基本结构为两个电极，即阳极和阴极，通过一个电解质导体连接。
阳极与微生物中的电子供体接触，并通过氧化还原反应将电子转移到电极表面。
而阴极则与氧气接触，并通过还原反应将电子和氧气还原成水。
整个过程中，微生物参与了电子的转移，并将有机废料氧化为二氧化碳和水。
电池反应的微生物为了实现高效的污水处理，选择合适的微生物种类对微生物燃料电池的性能至关重要。
当前研究中，最常用的微生物包括厌氧细菌和好氧细菌。
厌氧细菌通过利用还原剂（如酒精和脂肪酸）产生电子，然后将电子转移到阳极上。
而好氧细菌则在氧气的参与下将底物氧化为二氧化碳和水，同时释放出电子。
通过合理选择适宜的微生物种类，可以提高微生物的转化效率和电池的能量输出。
提高能量输出的方法由于微生物的代谢活性和电池产生的电流之间存在波动，并且微生物细胞与电极间存在一定的电子传递阻力，故进一步提高微生物燃料电池的能量输出仍然是研究的重点。
近年来，学者们通过以下几种方法实现了效能的提升。
第一，改进阳极材料：不同的阳极材料会直接影响电极表面与微生物的接触以及电子的传递效率。
研究者通过改变阳极表面的化学性质和微观结构，如使用石墨烯、碳纳米管等高导电性材料作为阳极材料，可以有效提高电极的导电性和微生物的吸附能力。
第二，改进微生物附着：微生物在阳极表面的附着情况直接影响能量输出。
因此，研究者致力于改进微生物的附着性能，通过改变培养条件、提供合适的基底材料以及增加微生物固定的方法，可以提高微生物在阳极上的固定效果，从而增强了附着微生物的代谢活性。
微生物燃料电池净化处理污水技术的研究进展
Ｌ的污水 处理 ， Ｍ Ｆ Ｃ的处理效率 比好痒厌氧法都要高 ， 且几乎不产生剩余 污泥。
１ ． ２ ＭＦ Ｃ 的 工作 原 理
Ｍ Ｆ Ｃ中含 阳极室 和阴极室两个部分 ， 各极室 的反应机理不 同， 处理的污水种类 也不同。
１ ． ２ ． １ 阳极 室 处 理 原 理
阳极室是利用 阳极室溶液中混合 菌群的厌 氧呼吸作用来 降解污染物 ， 一般为厌氧环 境 ， 其 电极材料 一般 为碳 类导 电材料 。有机物在微生物作 用下分解并释 放出电子 和质子 ， 电子 依靠合适 的 电子 传递介体 在生物 组分 和阳 极之 间进行有效传递 ， 而微生物则利用投加到阳极 室的污水 中的营养物质进行新 陈代谢 和繁殖 。
中逐 步放 能 ， 产 能时间较 持续 ， 且原料来源广泛 。在吴 晶 对 ＭＦ Ｃ处理效 能的研 究 中， 比较 了 ＭＦ Ｃ与传统 好氧／ 厌 氧处理法 在不同的 Ｃ Ｏ Ｄ浓度下 的处理效果 ， 发现 Ｍ Ｆ Ｃ对于高浓度 Ｃ Ｏ Ｄ的污水有较好 的适应性 ， 如对 ６ ０ ０ ０ ｍ ｇ ／
第３ 期
余佩 芳 ： 微 生物燃料 电池净化处理污水技术 பைடு நூலகம்研 究进展
・ ３ ７・
液中添加氧化还原类介体 （ 一般 为染料类物质 ） ， 燃料在 电解 液 中被 氧化 ， 再通过介体 运载 电子到 电极 上 ， 而无介
体 的直接 ＭＦ Ｃ则是使微生物 附着 在电极上 ， 燃料在 电池上被氧化将 电子传递到 阳极上 。 根据反应器结构 ， ＭＦ Ｃ可分为双室 Ｍ Ｆ Ｃ和单室 ＭＦ Ｃ 。双室 ＭＦ Ｃ即膜将 电池分为 阴极 区和 阳极 区 ， 可抑制 阴 极 阳极 的物质互相扩散从而提高 电池 的效率 ， 但 同时也增加 了质子扩散 的阻力 ， 提高 了电池 的成本 。而单 室 ＭＦ Ｃ 即阴极 阳极处于 同一 区间 ， 减少 了质子 扩散 的阻力 ， 但 是阴极 阳极 电解液会相互扩散 ， 降低 了电池 的库伦效率 。
微生物在环境保护中的应用
微生物在环境保护中的应用微生物是指肉眼无法看见的微小生命体，包括细菌、真菌、病毒等。
它们在环境保护中发挥着重要的作用。
本文将探讨微生物在环境保护中的应用，并重点介绍了微生物在废水处理、土壤修复、垃圾处理以及能源生产等方面的运用。
一、微生物在废水处理中的应用废水处理是为了减少污染物对水资源的影响和保护水环境的重要环节。
微生物在废水处理中具有以下应用：1. 自然界中的微生物可以降解有机物质，这一特性使其在废水处理中发挥作用。
通过利用微生物的代谢活性，污染物质可以被转化为无害的物质，从而净化水体。
2. 活性污泥法是一种常用的废水处理技术，其中微生物起着关键作用。
微生物能够通过吸附、吸附和降解等过程去除废水中的有机物和氮磷等污染物。
3. 利用微生物进行生物膜法处理废水是一种新兴的废水处理技术。
微生物附着在载体上形成生物膜，通过微生物的降解能力去除废水中的营养物质和微生物等，达到净化水体的目的。
二、微生物在土壤修复中的应用土壤污染是一个严重的环境问题，微生物在土壤修复中发挥着重要作用：1. 微生物可以通过吸附和降解等途径去除土壤中的有机物和重金属等污染物。
通过利用微生物的代谢活性，有害物质可以被转化为无害物质，从而修复受污染的土壤。
2. 植物-微生物互作是土壤修复中的一个重要机制。
微生物可以与植物共生，促进植物的生长，并通过分解有机质为植物提供养分，进而修复受损的土壤。
3. 微生物可以分解土壤中的有机质，释放养分供植物吸收，从而改善土壤质地，提高土壤肥力。
三、微生物在垃圾处理中的应用垃圾处理是城市环境保护的重要任务，微生物在垃圾处理中有以下应用：1. 微生物堆肥是一种有效的垃圾处理技术。
微生物可以分解垃圾中的有机物质，促进垃圾的腐熟和转化。
经过微生物的作用，垃圾可以转化为有机肥料，循环利用于农田。
2. 生物气化是垃圾处理中的另一种应用。
通过微生物的作用，垃圾可以转化为可再生能源，如生物气体和生物燃料，实现垃圾资源化利用。
污水处理过程中的微生物应用研究
污水处理过程中的微生物应用研究在当今社会，随着工业化和城市化的快速发展，污水处理成为了环境保护领域的重要课题。
污水中含有大量的有机物、氮、磷等污染物，如果未经处理直接排放，将会对生态环境和人类健康造成严重威胁。
而微生物在污水处理过程中发挥着至关重要的作用，它们能够有效地分解和转化污水中的有害物质，使污水得到净化。
微生物在污水处理中的作用机制主要包括生物降解、生物吸附和生物转化等。
生物降解是指微生物通过分泌酶类物质，将污水中的有机物分解为简单的无机物，如二氧化碳和水。
例如，好氧微生物在有氧条件下能够将有机物氧化分解为二氧化碳和水，而厌氧微生物则在无氧条件下将有机物转化为甲烷和二氧化碳等气体。
生物吸附则是微生物通过表面的吸附作用，将污水中的重金属离子等污染物吸附到细胞表面，从而达到去除污染物的目的。
生物转化则是微生物通过自身的代谢作用，将污水中的一些有害物质转化为无害物质。
在污水处理中，常见的微生物处理工艺有活性污泥法、生物膜法和厌氧处理法等。
活性污泥法是一种应用广泛的污水处理工艺。
在这个过程中，大量的微生物与污水充分混合，形成具有很强吸附和分解能力的活性污泥。
这些微生物以污水中的有机物为食，通过新陈代谢将有机物分解为无机物。
随着处理过程的进行，活性污泥会不断增长，一部分污泥需要定期排出，以维持系统的稳定运行。
生物膜法是另一种有效的污水处理方法。
它是通过在载体表面形成一层生物膜，污水流经生物膜时，其中的污染物被生物膜中的微生物吸附和降解。
生物膜中的微生物种类丰富，包括细菌、真菌、原生动物和后生动物等，它们形成了一个复杂的生态系统，共同作用完成污水的净化过程。
厌氧处理法则主要用于处理高浓度有机污水。
在厌氧条件下，微生物通过发酵、产甲烷等过程将有机物转化为甲烷和二氧化碳等气体。
这种方法不仅能够降低污水中的有机物含量，还能够产生能源，具有一定的经济效益。
微生物的种类和群落结构对污水处理效果有着重要的影响。
工业污水处理中的低碳技术应用
工业污水处理中的低碳技术应用工业污水处理是如今社会发展中的一个重要议题，对于环境保护和可持续发展至关重要。
低碳技术的应用可以有效地减少工业污水处理过程中的能源消耗和碳排放，提高能源利用效率和减少环境污染。
本文将详细介绍工业污水处理中的低碳技术应用，并分点列出。
一、生物膜工艺技术1. 生物滤池：通过利用自然界存在的微生物菌群，将有机物质转化为无机物质，从而达到净化水质的作用。
这种技术具有处理效果好、运行成本低、耗能少等优点。
2. 生物接触氧化法：将污水与微生物接触，通过微生物的生长和新陈代谢作用将有机物氧化为二氧化碳和水。
该技术具有处理效果好、操作简单、能耗低的特点。
二、膜分离技术1. 超滤技术：通过特殊的膜材，将溶解物、悬浮物和胶体等大分子物质截留在膜表面，同时将水分子和小分子物质通过膜孔径进行分离。
这种技术效果好、能耗低、操作简便。
2. 反渗透技术：通过半透膜将水中的离子、胶体、微生物等截留在膜表面，而纯净水则通过膜孔径传递，实现物质分离的目的。
反渗透技术具有高效、节能和无污染等优点。
三、湿式电场技术湿式电场技术是一种通过电场作用促进电解质物质分解和沉淀的技术。
1. 电沉淀技术：通过建立一个局部的电场，使悬浮在水中的固体颗粒获得电荷并聚集在电极上，从而实现固液分离的目的。
这种技术能耗低、操作简单、效果显著。
2. 电吸附技术：利用电场作用促使胶体物质在电极表面吸附，从而实现固液分离和去除污染物的目的。
该技术处理效果好、能耗低、产品易回收、无二次污染。
四、生物催化技术1. 微生物燃油电池技术：通过利用微生物群落在代谢过程中产生的电子，驱动燃料电池发电。
这种技术具有高效、低碳排放的特点。
2. 生物发酵技术：通过微生物酶的催化，将可降解性有机废水转化为生物质能。
生物发酵技术能够充分利用有机废水的能量，实现能源的回收和利用。
五、高效氧化技术1. 紫外光催化氧化技术：通过紫外光辐射和催化剂的协同作用，分解污水中的有机物质和有毒物质。
生物电化学技术在废水处理中的应用
生物电化学技术在废水处理中的应用废水处理是一项非常关键的环保工程。
随着经济的发展，废水排放量不断增加，影响着环境的质量。
而生物电化学技术的出现，为废水处理提供了全新的思路。
一、生物电化学技术的基本原理生物电化学技术是将微生物的代谢活动与电化学过程相结合，将有机物质通过微生物的代谢产生电流，来完成废水的处理。
其基本原理是利用电化学反应产生的电位差来激发微生物代谢活动，从而实现污水的处理。
二、生物电化学技术的特点1、低能耗：生物电化学技术不需要加热，与传统技术相比，能耗更低。
2、高效率：生物电化学技术的反应速度非常快，能够迅速将有机物质分解。
3、自动化：生物电化学技术可以实现自动化控制，无需人为干预，大大减少了人工成本。
三、1、厌氧颗粒污泥法生物电化学技术可以应用于厌氧颗粒污泥法中。
该技术通过与微生物的代谢反应，产生氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐等化合物，从而实现废水去除过程。
2、微生物燃料电池（MFC）微生物燃料电池是一种能够将废水中的有机物质转化为电能的技术，同时也可以去除水中的有机物。
通过将废水经过一个被菌膜覆盖的电极中，利用电极上的微生物代谢废物，产生电子，从而转换为电能。
3、微生物过程生物电化学技术还可被应用于微生物过程中。
微生物过程主要依靠微生物对水中的有机物质的吸附和分解，从而清除废水中的有毒有害物质。
通过生物电化学技术的应用，微生物的代谢能力被激发，能够更好的实现废水净化。
四、生物电化学技术的未来生物电化学技术作为一项新兴污水处理技术，其应用前景非常广阔。
随着相关技术的不断完善和研究，生物电化学技术将会在节能环保、可持续发展等领域起到更大的作用。
五、结论生物电化学技术是一种新兴的废水处理技术，具有低能耗、高效率、自动化等优点。
生物电化学技术的应用将会逐渐普及，并为废水处理行业注入更多新方案和新思路。
微生物燃料电池技术在环境治理中的应用研究
微生物燃料电池技术在环境治理中的应用研究微生物燃料电池技术是一种利用微生物代谢产生的电能来驱动电子设备的新型能源技术。
它将微生物的代谢活动与固态电化学反应相结合，能够同时实现能源转化和环境治理的双重目标。
微生物燃料电池技术在环境治理中具有广泛的应用前景，本文将从废水处理和空气净化两个方面探讨其应用研究。
首先，微生物燃料电池技术在废水处理中的应用研究。
废水处理是环境治理的重要环节，而传统的废水处理方法通常需要大量的能源投入和化学药剂的使用，不仅成本高昂，而且产生了大量的化学废物。
微生物燃料电池技术则通过利用微生物的代谢活动，将废水中的有机污染物直接转化为电能，实现了废水处理和能源回收的同步。
一些研究表明，微生物燃料电池技术能够高效地去除废水中的有机物，同时产生可利用的电能。
这不仅能够降低废水处理的成本，减少化学废物的排放，还能够回收废水中的能源，提高资源利用效率。
其次，微生物燃料电池技术在空气净化中的应用研究。
空气污染是当前亟待解决的环境问题之一，传统的空气净化方法主要是通过过滤、吸附和化学反应等过程去除空气中的污染物，但这些方法存在能源消耗大、处理效率低和废物生成多等问题。
而微生物燃料电池技术则可以利用微生物的代谢活动将空气中的污染物直接转化为电能，实现了空气净化和能源回收的双重效果。
研究表明，微生物燃料电池技术能够高效地去除空气中的有机污染物，并且可以通过电化学氧化来降解一些难以被微生物降解的污染物。
这种技术不仅能够减少空气净化的能源消耗和废物生成，还能够回收空气中的能源，提高资源利用效率。
综上所述，微生物燃料电池技术在环境治理中具有重要的应用价值。
通过将微生物的代谢活动与固态电化学反应相结合，它能够同时实现废水处理和能源回收的双重目标，在废水处理和空气净化中具有广泛的应用前景。
然而，微生物燃料电池技术目前还存在一些问题，如电能输出低、微生物的生长限制等，需要进一步的研究和改进。
希望未来能够通过对微生物燃料电池技术的不断研究和创新，实现其在环境治理中的大规模应用。
利用微生物电池技术处理废水
姜秀 华
（ 天津力神 电池股份有限公 司， 天津 ３ ０ ０ ３ ８ ４ ）
摘 要： 进入 ２ １ 世纪， 由 于微 生物 燃料 电 池 高效 、 清洁 、 环保 的 独特 优 点 ， 利用微 生物 电池技 术处理 废 水 的研 究在 全球 掀起 热 潮 。 通 过微 生物 燃料 电池技 术 的 特 点和 原 理 的介 绍 ， 综 述 了微 生 物燃 料 电池 废 水 处理 技 术 的优 势 ， 分析 了存 在 的 问题 ， 并 在 此基 础 上 指 出微 生物 燃料 电池废 水 处理技 术研 究 的重 点 突破 方向 。 关键词： 微 生 物燃料 电池 ； 废 水处 理 ； 产电 废 水处 理是高能耗行业 。 据统计 ， 仅我 国每年用于废水处理 的耗 电 理， 同时获得电能日 。 该技术基本核心是提高细菌处理废水的效率及增强 量就 占全 国总发电量 的 １ ９ ， 而美国等发达 国家更高达 ３ ％口 。随着 能源 细菌对废水 冲击负荷 的适 应性 。除了改善废水处 理构筑 本身 的结构 设 短缺的日益加剧 ， 节能降耗已成为废水处理行业急待解决的现实问题。 计 的方式 ， 目前这方面 的技术归纳起 来基本 为提高细菌 有氧代谢或 无 至今为 止 ，废水 的处理技术 主要采用好 氧生物处 理和厌氧 生物处理 两 氧代 谢效率及细菌对 废水浓度 的耐受性 。 种方法 。但是 ， 这两种方 法都有其缺点 。好氧生物 处理消耗能量 大且 运 采用 ＭＦ Ｃ处理废水是废水处理技术的创新。 传统废水处理技术通 行费用 高 ， 而厌氧工 艺的产 出物 甲烷无法 实现能 源的 回收 ， 会 加剧着 地 常将 废水当作无用 的废 物 ， 以消耗 电能来 去除这些 含能污染 物 ， 而 ＭＦ Ｃ 球温室 效应 。近年来 ， 由于生物技 术 的不 断发展 ， 污水 的生物处 理成 为 可将 废水污染物用 于生产 电能 ， 处理废水 的同时生产电能日 。 与传 统废水 污水处理领 域的主要技术 ， 得 到了研 究者的广泛重视 。进入 ２ １ 世纪， 由 生物处理技术相比， Ｍ Ｆ Ｃ具有其独特优势（ 见表 １ ） ［ １ ｑ 。和传统的废水处 于微生 物燃料 电池 高效 、 清洁、 环保 的独特优 点 ， 利 用微生 物 电池技术 理技 术相 比， 微生物燃料 电池 具有以下特点 ： （ １ ） 同步废水处理和 高效 产 处理废水 的研 究在全球掀 起热 潮日 。 电； （ ２ ） 可 在常温常压下运行 ， 对运 行环境无 特殊要求 ； （ ３ ） 可 以实 现不 同 １微生物燃料 电池特 点 种类的废水处理； （ ４ ） 伴随废水处理过程产生的气体无需进一步处理， 环 微生物燃 料 电池 （ Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｂ ｉ ａ ｌ Ｆ ｕ ｅ ｌ Ｃ ｅ ｌ ｌ ｓ ， 简称 ＭＦ Ｃ ） 是一 种 以微生 物 境 友好 为催化 剂产生 电能的新方 法 ， 可以利用 细菌通过生 物质产生 生物 电能 。 表１ Ｍ Ｆ Ｃ与传统废水 生物处理技术 的对 比 它是一种将化 学能在微生物 的作用下直接转化 为电能 的装置 其 问世 Ｉ 工艺 Ｉ 关键微生物Ｉ 条件要求ｌ 产能方式 能源利用方式 污泥产量ｌ 适用范围 于２ Ｏ 世 纪初 ， 但 在此后 很长 的一段 时期 内 ， 其 研究 陷入停滞 。２ ０ 世 纪 Ｉ好氧法 ｌ 好氧微生物 Ｉ 中等 ｌ 消耗能量 多 ｌ 中低浓度废水 末， 由于能源危机 的巨大压力 以及化 石能 源的环境 污染 ， Ｍ Ｆ Ｃ研究再度 Ｉ 厌氧消化 ｌ产甲烷菌 ｌ 较高 ｌ 沼气 复杂 少 ｌ 中高浓度废水 Ｍ Ｆ Ｃ ｌ 产电 菌 ｌ 常温常压ｌ 电力 简单 少 ｌ 皆 可 受到人们关 注 。二 十世纪八 十年代 以后 ， 电子 中介体 的使用 ， 使 得微 生 ｌ 物燃料 电池 的电流密度和 功率密度有 较大提高 ， 但 因为其 胜能不稳定 ４微生物燃料 电池废水处理 的主要 问题 及解决方法 性且成本较高， 使其不能广泛应用。近年来 ， 高活性微生物及无氧化还 微 生物燃料 电池技 术在许 多方面 已经取 得了重 大突破 ，但依然 没 原介体方式 的发现 ， 极 大促进 了微生 物燃料 电池 的发展 目 。 有解决处理废水速率幔、 功率低的问题。目前， 微生物燃料电池废水处 ＭＦ Ｃ在理论 上具有很高 的能量 转化效率 ， 其 具有 以下优势 ： （ １ ） 燃 理面 临的主要 问题包 括口 料来源多样化 ： 可 以利用 一般燃料 电池不能利 用的有机 物 ， 无 机物 、 微生 ４ ． １ 微 生物 细菌与 电极 之 间的电子传 递过 程缓慢 ，产 电功 率密 度 物呼吸 的代谢 产物 、 发 酵的产物 ， 以及污水 等作为燃料 。（ ２ ） 电池 的操作 低 。 条件较温和 ： 由于使 用微 生物作 为催化剂 ， 电池 常温常压 下即可运行 ， 这 ４ ． ２对于 细菌本身 的呼 吸方式 和电子传递 到 电极机 理研究不 够 ， 没 与现有 的发 电过程不 同， 使得 电池维 护成本低 、 安全 ｌ 生 强 。（ ３ ） 生物相容 有建立 起完善 的体系 。 性好： 利用人体血液中的葡萄糖和氧气作燃料 ， 可为植人人体的一些人 ４ ＿ ３使用价格不菲的碳纸、 载铂碳纸等材料作电极等因素导致了电 造器官提供电能。（ ４ ） 无需能量输入： 微生物本身就可以进行能量转化， 池的造价成本高 ，增加了 ＭＦ Ｃ技术在废水处理领域的应用成本。而 把燃料能源转 化为 电能 ， 为人类提 供能源。 （ ５ ） 由于微 生物燃料 电池 的唯 ＭＦ Ｃ多以间歇操作为主 ， 且反应器 容积过小 ， 这些 结构上 的缺陷也严 重 产物是水 ， 所 以该技 术无污染 ， 可实现零 排放 。 （ ６ ） 能量利用率高 ， 能量 制约 了 Ｍ Ｆ Ｃ技术 的发展 和废 水处理领域 的大规模 实际应用 。 转化过程无 燃烧步 骤 ， 可直接将化 学能转化 为 电能 ， 能量 利用效 率较 高 ４ ． ４研究 的阳极 底物一般 仅为 有机养料 和模 拟废水 的混合物 ， 对 高 闷 有机 物浓度废水 的 ＭＦ Ｃ 技术 研究较少 ，针对废水处 理 的 Ｍ Ｆ Ｃ基础 研 ２微生 物燃料 电池工作 原理 究较 少。 图１ 是微生物 燃料 电池工 作原理 简易示意 图。在微生 物燃 料 电池 针对 以上问题 ，还需 要在 以下几 个方面进行 进一步 研究 ，以推 动 中， 可降解有机 质在细 胞内被微生 物代谢分 解 ， 此过程 中产生 的电子通 ＭＦ Ｃ 技术在 废水处理方面 的实 际应用旧 ： 过呼吸链传 输到细胞 膜上 ，然后 电子进一 步从细胞 膜转移 到电池的 阳 （ １ ） 开发 高效 的直接 电子传 递型产 电菌 种 ， 通 过菌群 组合 、 基 因改 极 上 。阳极上 的 电子 经 由外 电路 到达 电池 的阴极 ， 最终 ， 电子 与电子受 造等方 法优 化产 电菌群 。 体（ 氧化剂 ） 在阴极表面上相结合。而有机质代谢分解过程中产生的质 （ ２ ） 研究生物兼容性好 ， 电子传递性能优秀的电极材料， 促进阳极 子则在 电池 内部通过 阳离子交 换膜从 阳极区扩散 到阴极 区。电子和质 电子传递过程， 改善电池功率输出。 子的移动完成 了整 个微生物燃料 电池的 电子传递过 程 。 （ ３ ） 优化反应 器结构 ， 减少传 质阻力 ， 增 大反应器 容积 ， 提 高输 出功 ３利用微 生物 电池技术 处理废水 率。 微生物燃 料电池废水 处理技术 ， 是将微生 物作为 阳极催 化剂 ， 将有 （ ４ ） 加强 ＭＦ Ｃ 技 术在废水处 理领域 的基 础研究 ， 研究 Ｍ Ｆ Ｃ对高 有 机 废水作 为 ＭＦ Ｃ阳极 的底物 ， 通 过微生物 的代谢作用将 生活污 水和工 机物浓 度废 水 的处理效 率及处理机理 。 业 废水 中含 有 的大量 有机物作 为燃料 氧化 ，使有机 物降解 ，废 水被处 ５结束语 微 生物 燃料 电池 废水 处理 技术 代表 了未 来水 处 理技术 的发展 方 向。近几年 时间来 ， Ｍ Ｆ Ｃ技术分别 在微生物 、 系统 构型与材 料方 面取 得 了重 大发现 。 但是在 改善 电极电化学 性能、 提 高电池输 出功率密度及 降 ●ｌ ｆ 低 电池成本 等方 面还需进 行深入探 索 。相 信随着 Ｍ Ｆ Ｃ 研究 的不断 深 入’ Ｉ Ⅵ Ｆ ｃ的工业化 应用将为期不远 。
微生物脱盐电池的原理
微生物脱盐电池的原理
微生物脱盐电池是一种新型的环保技术，它利用微生物的代谢产物来实现海水淡化和废水处理。
该技术具有高效、低成本、低能耗等优点，被广泛应用于海水淡化、饮用水制备、轮换农田用水等领域。
微生物脱盐电池的原理是利用微生物在电极表面的代谢活动，将电极表面的盐分转化为氯离子，并通过电极的传导作用将氯离子排泄到水中，从而实现脱盐。
微生物脱盐电池主要由电极、微生物和盐水组成。
电极是微生物脱盐电池的核心部件，它分为阳极和阴极两种，阳极上的微生物可以利用盐分进行呼吸作用，产生电流，而阴极则可以将电流转化为化学能，促进微生物的代谢活动。
微生物脱盐电池的操作过程比较简单，首先需要将盐水注入电池中，然后通过电极的传导作用将微生物吸附在阳极表面，使其进行代谢作用，产生电流。
在代谢过程中，微生物会将阳极表面的盐分转化为氯离子，并通过电极的传导作用将氯离子排泄到水中，实现脱盐。
脱盐过程中，阴极则会将电流转化为化学能，促进微生物的代谢活动。
微生物脱盐电池的优点主要有以下几个方面：首先，它具有高效性，可以在较短时间内实现海水淡化和废水处理；其次，它具有低成本和低能耗的特点，可以大幅降低脱盐和废水处理的成本；此外，微生物脱盐电池还可以实现环保效果，减少化学废物的排放，保护环境。
微生物脱盐电池的应用前景非常广阔，已经被广泛应用于海水淡化、饮用水制备、轮换农田用水等领域。
未来，随着技术的不断发展和创新，微生物脱盐电池的应用前景将会更加广阔，有望成为一种重要的环保技术。
生物技术在污水处理与资源回收中的创新应用
生物技术在污水处理与资源回收中的创新应用在当今社会，随着工业化和城市化的快速发展，污水的产生量不断增加，水质也变得越来越复杂。
传统的污水处理方法在应对这些挑战时往往显得力不从心，而生物技术的出现为污水处理与资源回收带来了新的希望。
生物技术利用微生物、植物和动物等生物有机体的代谢作用，实现对污水中污染物的去除和转化，同时还能回收有价值的资源，具有高效、环保、可持续等优点。
生物技术在污水处理中的应用主要包括生物膜法、活性污泥法、生物强化技术等。
生物膜法是一种利用附着在固体介质表面的微生物膜来处理污水的方法。
微生物在膜内形成复杂的生态系统，通过吸附、吸收和代谢等作用将污水中的有机物、氮、磷等污染物去除。
这种方法具有生物量高、耐冲击负荷、运行稳定等优点，适用于处理中小规模的污水。
活性污泥法是目前应用最广泛的污水处理技术之一。
它是将含有大量微生物的活性污泥与污水混合，在有氧条件下，微生物通过代谢作用将污水中的有机物分解为二氧化碳和水，同时将氮、磷等营养物质转化为无害物质。
活性污泥法具有处理效率高、适应性强等优点，但也存在污泥膨胀、污泥流失等问题，需要加强运行管理和优化工艺参数。
生物强化技术是通过向污水处理系统中添加特定的微生物或酶制剂，提高系统对污染物的去除能力。
这些微生物或酶制剂具有高效的代谢能力和特异性的降解作用，能够快速分解污水中的难降解有机物或有毒有害物质。
生物强化技术可以作为传统污水处理技术的补充和优化，提高处理效果和降低处理成本。
除了上述常见的生物技术，近年来，一些新兴的生物技术也在污水处理领域崭露头角。
例如，基因工程技术可以通过对微生物的基因进行改造，使其具有更强的污染物降解能力；微生物燃料电池技术则利用微生物的代谢作用将化学能转化为电能，实现污水的能源回收；藻类生物处理技术利用藻类的光合作用吸收污水中的氮、磷等营养物质，同时产生氧气，改善水质。
生物技术在资源回收方面也具有巨大的潜力。
污水中含有丰富的有机物、氮、磷等资源，如果能够有效地回收利用，不仅可以减少对环境的污染，还可以实现资源的可持续利用。
微生物电池在能源领域的应用
微生物电池在能源领域的应用微生物电池是一种利用微生物代谢活动产生电能的装置，是一种新型的生物能源技术。
微生物电池具有环保、可再生、低成本等优点，因此在能源领域备受关注。
本文将探讨微生物电池在能源领域的应用现状及未来发展前景。
一、微生物电池的工作原理微生物电池是利用微生物在阳极和阴极之间的电子传递来产生电能的装置。
在微生物电池中，微生物在阳极附近进行氧化反应，释放出电子和质子；而在阴极附近，电子和质子再结合，与氧气反应，形成水。
通过这种电子传递和氧化还原反应，微生物电池可以产生电能。
二、微生物电池在能源领域的应用1. 生物废水处理：微生物电池可以利用微生物降解有机废水的特性，将有机废水中的有机物质转化为电能，实现废水处理和能源回收的双重效果。
这种技术不仅可以减少废水处理的成本，还可以减少对环境的污染。
2. 生物能源生产：微生物电池可以利用微生物代谢活动产生的电能，实现生物能源的生产。
通过优化微生物电池的结构和微生物的种类，可以提高生物能源的产量和质量，为生物能源的开发和利用提供新的途径。
3. 环境监测：微生物电池可以利用微生物对环境中有害物质的敏感性，实现环境监测和预警。
通过监测微生物电池的电能输出变化，可以及时发现环境中的污染物质，为环境保护和治理提供数据支持。
4. 可穿戴设备：微生物电池可以利用微生物代谢活动产生的微弱电能，为可穿戴设备提供持续的电源支持。
这种技术可以减少可穿戴设备的充电次数，提高可穿戴设备的使用便利性和舒适性。
三、微生物电池在能源领域的未来发展随着能源需求的不断增加和能源资源的日益枯竭，微生物电池作为一种新型的生物能源技术，具有巨大的发展潜力。
未来，微生物电池在能源领域的应用将更加广泛，涉及生活、工业、农业等多个领域。
同时，随着科学技术的不断进步，微生物电池的效率和稳定性将得到进一步提升，为能源领域的可持续发展提供更多可能性。
综上所述，微生物电池作为一种新型的生物能源技术，在能源领域具有重要的应用前景。
微生物燃料电池在污水处理中的应用
微生物燃料电池在污水处理中的应用微生物燃料电池在污水处理中的应用1. 引言随着城市化进程的加快，城市人口的急剧增长，废水排放量也在逐年上升。
传统的废水处理方法存在着处理成本高、能源消耗大、污泥产生多等问题。
为了寻找一种更加经济、高效同时又可持续的废水处理技术，微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，简称MFCs）应运而生。
本文将探讨微生物燃料电池在污水处理中的应用及其优势。
2. 微生物燃料电池的原理微生物燃料电池是一种能将有机物转化为电能的设备。
它通过利用微生物的代谢过程，将有机物废水中的化学能转化为电能。
微生物燃料电池通常由阳极和阴极两部分组成。
阳极是放置微生物（通常是细菌或真菌）的电极，而阴极则是与阳极相连的电极。
当废水通过阳极时，微生物在阳极上发生氧化反应，释放出电子，然后电子通过外部电路流向阴极，与阴极上的氧气发生还原反应，进而产生电流。
3. 微生物燃料电池在污水处理中的应用3.1 优势微生物燃料电池在污水处理中具有以下优势：（1）能源转化效率高：微生物燃料电池能够将有机物废水中的能量转化为电能，相比传统的废水处理方法，更加高效。
（2）减少能源消耗：微生物燃料电池在处理废水的同时产生电能，可以供给污水处理厂的自身运行需求，从而减少外部电力供给，降低能源消耗。
（3）减少污泥产生：传统废水处理方法通常会产生大量的污泥，而微生物燃料电池则能够将废水中的有机质直接转化为电能，减少了污泥产生，从而降低了后续的处理成本。
（4）操作简单：相比传统方法，微生物燃料电池的操作相对较简单，无需复杂的设备和操作过程。
3.2 应用场景（1）污水处理厂：将微生物燃料电池应用于污水处理厂，能够提高废水处理的效率，减少能源消耗，降低后续处理成本，并且同时产生电能供给自身运行。
（2）农村地区：在一些没有接通电网的农村地区，微生物燃料电池可以作为一种独立供电系统，利用废水中的有机质提供电能，满足农村居民的基本用电需求。
《钨基半导体修饰电极的微生物燃料电池在重金属废水处理中的应用》范文
《钨基半导体修饰电极的微生物燃料电池在重金属废水处理中的应用》篇一一、引言随着工业的迅猛发展，重金属废水已成为严重威胁环境和生态的污染物之一。
因此，对于重金属废水的有效处理，不仅对于保护生态环境具有重要意义，同时也是可持续发展的重要环节。
钨基半导体材料具有独特的光电性质，已广泛应用于能源、环境等领域。
近年来，钨基半导体修饰电极的微生物燃料电池（MFC）在重金属废水处理方面展现出巨大的应用潜力。
本文将探讨钨基半导体修饰电极的MFC在重金属废水处理中的应用及其优势。
二、钨基半导体修饰电极的微生物燃料电池微生物燃料电池（MFC）是一种利用微生物代谢活动将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。
钨基半导体修饰电极的引入，可以增强MFC对重金属离子的吸附、还原和去除能力，从而提高MFC在处理重金属废水方面的效率。
三、钨基半导体修饰电极的特性钨基半导体材料具有优异的电子传输性能和光电转换效率，能够有效提高MFC的电能输出。
此外，钨基半导体材料对重金属离子具有较好的吸附性能，能够通过静电作用、络合作用等机制将重金属离子固定在电极表面，从而减少重金属离子对环境的污染。
四、钨基半导体修饰电极在MFC中的应用在MFC中，钨基半导体修饰电极可以有效地催化重金属离子的还原反应，加速电子传递过程，提高MFC的能量转换效率。
同时，通过修饰电极的吸附作用，可以有效去除废水中的重金属离子，降低废水的毒性，实现废水的净化处理。
五、钨基半导体修饰电极的MFC在重金属废水处理中的优势1. 高效性：钨基半导体修饰电极的引入，提高了MFC对重金属离子的吸附、还原和去除能力，从而提高了处理效率。
2. 环境友好性：钨基半导体修饰电极的MFC在处理重金属废水的过程中，不仅可以降低废水的毒性，还可以实现废水的资源化利用，具有较好的环境友好性。
3. 可持续性：钨基半导体材料具有较好的稳定性和耐久性，可以长期应用于MFC中，实现废水的持续处理。
六、结论钨基半导体修饰电极的微生物燃料电池在重金属废水处理中具有广泛的应用前景。
微生物燃料电池用于污水处理及污水生物修复
微生物燃料电池用于污水处理及污水生物修复1 引言微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种利用微生物作为催化剂，将有机物质中的化学能转换为电能的装置.MFC作为一种新型的污水处理及污水生物修复技术，具有同时去除有机污染物并获得能源输出的优点，这种具有成本效益的水处理技术成为废水处理及新能源开发领域的研究热点.在微生物燃料电池中，电化学活性细菌在阳极室内消耗有机质，获得维持微生物生长所需能量并产生电子传递至阳极电极，电子从阳极电极经由外电路到达阴极，在阴极室内，电子受体消耗电子完成整个电能输出过程.双室MFC包括阳极室与阴极室，影响阳极室内微生物产电的因素包括电极材料、pH、基质浓度、电极间距、溶液内不同离子等.近年来，由于化肥流失和工业排放等原因，水体中的硝酸盐污染成为较严重的环境问题，许多研究者尝试采用MFC处理含硝酸盐废水，并取得了较好的污染物去除及产电效果，但关于硝酸盐浓度对MFC阳极性能影响的系统研究较少.相关研究发现，当阳极室内存在硝酸盐，电池的输出功率会受到一定影响，但关于硝酸盐浓度对于阳极生物膜产电性能的影响机理尚不明确.因此，本文以双室MFC阳极室为研究对象，探究不同硝酸盐浓度对MFC产电性能及污染物去除的影响机理，并探讨不同硝酸盐浓度对系统内阻的影响，为将MFC应用于处理含硝酸盐废水的工艺设计和优化提供理论依据.2 材料与方法2.1 双室MFC的搭建本实验共平行启动7个双室MFC反应器，两极室由立方体形有机玻璃容器构成，每个极室的有效容积为0.41 L，阳极室为密封厌氧，阴阳极室由Nafion 117型质子交换膜分隔开.两极室的电极材料均为碳毡(甘肃郝氏)，有效面积均为40 cm2.碳毡使用前经马弗炉(320 ℃)加热30 min以增加其亲水性.阳极与阴极之间采用钛导线连接构成回路，外接电阻为1000 Ω，阳极室中放置饱和甘汞电极(SCE)用以测定电极电势，实验启动及运行阶段均采用间歇流方式，反应温度保持在(20±3)℃.2.2 反应器的接种及培养液成分实验采用的接种液取自实验室长期稳定运行的微生物燃料电池，经驯化培养达到稳定后进行实验.阳极室进水为模拟废水，其组成为：CH3COONa 1.64 g·L-1、K2HPO4·3H2O 18.3 g·L-1、KH2PO4 2.69 g·L-1、NH4Cl 0.1 g·L-1、NaCl 0.5 g·L-1、MgSO4·7H2O 0.1 g·L-1、CaCl2·2H2O 0.015 g·L-1、微量元素液1 ml·L-1(Virdis et al.，2012).微量元素液根据文献(Lu et al.，2006)配制，硝酸盐质量浓度根据实验要求配加.阴极溶液为50 mmol·L-1铁氰化钾溶液，其组成为：K3[Fe(CN)6] 16.46 g·L-1、K2HPO4·3H2O 18.3 g·L-1、KH2PO4 2.69 g·L-1.两极室反应环境维持pH=7.4.2.3 分析与测试COD、硝态氮、亚硝态氮均参照国家环境保护局发布的标准方法(国家环境保护总局，2002)进行测定，数据结果测量3次取平均值.采用数据采集系统(Keithley 2700)监测输出电压，采用库仑效率(Coulombic Efficiency，CE)衡量阳极的电子回收效率(Logan et al.，2006b)，按照公式(1)进行计算.式中，T为一个周期的时间(s)，I为电流大小(A)，F为法拉第常数(96485 C·mol-1)，VAn 为阳极室液体体积(L)，ΔCOD为周期T内COD的变化值(g·L-1).采用电化学工作站(CHI660E)进行电化学交流阻抗(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)的测试，来表征MFC内阻，并利用Zview软件进行等效电路的拟合.MFC的内阻分为欧姆内阻、传荷内阻和扩散内阻(He et al.，2009)，欧姆内阻由质子交换膜、电极材料和溶液等造成，扩散内阻由物质向电极表面迁移引起的传质损失造成(Borole et al.，2010).传荷内阻则主要表示电极反应中氧化还原反应的发生及电子传递造成的活化损失.阳极生物DNA的提取使用Norcross公司的Omega Bio-tek试剂盒，并参照说明书进行操作，微生物群落组成分析采用基于Illumina公司MiSeq平台的高通量测序技术进行(委托上海美吉生物医药科技有限公司完成)，测序流程及数据分析参考文献.3 结果与讨论3.1 反应器的启动接种液进入阳极室后，微生物燃料电池的启动期主要经历了3个阶段：延滞期、上升期和稳定期(尤世界，2008).图 1为R1反应器启动期输出电压及阳极电位变化情况，7个平行反应器启动时间及稳定电压情况如表 1所示.由图 1可知，在阴极电位基本保持不变的情况下，电池的输出电压由阳极电位变化决定，即MFC系统的输出电压主要由阳极电势控制，阳极电势的变化表征了微生物的活性变化，同时影响电能输出，可见阳极反应是MFC产电的关键因素之一.由表 1可知，当启动稳定后，7个反应器运行状况基本平行，同时将阳极溶液替换为不同硝酸盐浓度的营养液进行相关实验.图 1(Fig. 1)图 1 微生物燃料电池R1启动期输出电压及阳极电位情况表 1 微生物燃料电池R1~R7反应器启动期电化学性能3.2 不同阳极初始硝酸盐浓度下的电压变化当7个平行反应器运行稳定后，将阳极营养液的初始硝酸盐浓度控制为0、50、100、250、300、500及1000 mg·L-1，图 2为阳极室内加入不同浓度硝酸盐后电压的变化情况.由图 2可知，加入硝酸盐后，输出电压具有明显的下降趋势，这是由于有机物降解产生的电子还未传至阳极电极表面，便被反硝化过程所消耗，使得电流密度降低.由图 2还可知，当初始硝酸盐浓度为0~250 mg·L-1时，系统输出电压经下降后均迅速回升至初始电压水平，呈现“降低-升高-平稳-再降低”的四阶段特性，表明随着反硝化过程的进行，硝酸盐浓度降低，阳极生物产生的电子大部分又再次传递至阴极，系统恢复正常产电，而后随着阳极溶液的有机物消耗殆尽，电池输出电压下降，周期内最大输出功率均可达到120 mW·m-2左右.而张吉强等(2014)构建的反硝化微生物燃料电池在甲醇与硝酸盐共基质作用下呈现“电压初降-电压上升-电压再降”三阶段特性，其电压回升后未经平稳段就逐步降低，其推测“再降”段电压是由于反硝化细菌内碳源分解及微生物细胞水解所致.图 2 不同阳极初始硝酸盐浓度下的MFC输出电压当硝酸盐浓度升至300 mg·L-1时，如图 2e所示，其经历电压下降段后，电压升高后的平稳电压在500 mV左右波动，无法达到初始电压输出水平，说明产电生物活性下降;而当初始硝酸盐浓度升至500 mg·L-1(图 2f)及1000 mg·L-1(图 2g)时，MFC输出电压均立即出现大幅下降，直至失去电压输出能力，且超过30 h未见电压回升，说明在高浓度的硝酸盐溶液中，产电生物活性受到了极大的抑制.Gorby等(2006)也研究发现，电子受体的存在会抑制纳米导线的产生，从而影响电子传递.此外，为了确定高浓度硝酸盐对产电生物的抑制影响是否可逆，在阳极溶液投加高浓度硝酸盐35 h后，将阳极溶液更换为不含硝酸盐的营养液，由图 2f、图 2g可知，当更换营养液后，初始硝酸盐浓度为500和1000 mg·L-1的MFC输出电压仅可回升至0.4 V和0.2 V附近，且连续运行3个周期后，最大输出电压仍然维持在0.4 V及0.2V左右.说明当阳极初始硝酸盐浓度过高时，即使后续运行中解除了抑制条件，产电微生物仍然无法完全恢复产电能力，推测是由于高浓度的硝酸盐对阳极微生物的产电活性造成抑制，破坏了电子产生和传递过程，且该抑制对产电活性的影响不可逆.3.3 不同阳极初始硝酸盐浓度下MFC的污染物去除及库仑效率分析表 2为不同阳极初始硝酸盐浓度下MFC的污染物降解情况及库仑效率.当进水COD在1000 mg·L-1左右时，各初始硝酸盐浓度下系统均具有较好的COD去除效果，COD去除率基本都能达到95%左右，最大去除负荷可达到1.392 kg·m-3·d-1，与相关文献(Jang et al.，2004;Liu etal.，2004)的去除负荷(0.02~0.97 kg·m-3·d-1)相比，本MFC系统的阳极室具有较好的COD 去除效果.表 2 不同阳极初始硝酸盐浓度下MFC的库仑效率及污染物去除情况随着进水中硝酸盐浓度的升高，传质强度增大，硝酸盐的降解速率也随之增大，但当硝酸盐浓度高于250 mg·L-1时，硝酸盐降解速率产生下降趋势.推测是由于该浓度超过阳极生物承受能力，且本实验采用COD为1000 mg·L-1的配水，当硝酸盐浓度过高时，不足以为反硝化过程提供充足的碳源，菌体的生长就受到抑制.当阳极初始硝酸盐浓度为0~250 mg·L-1时，MFC系统的稳定输出电压未受到较大的影响，且系统的硝酸盐去除率能达到99%以上;当初始硝酸盐浓度达到300 mg·L-1时，虽然系统的稳定产电能力下降，但仍具有较好的脱氮性能，硝酸盐去除率也在99%以上，推测是由于此时作为优势菌种的Pseudomonas sp.C27产电能力受到抑制，其主要表现出反硝化性能.传统反硝化反应器的容积负荷为0.1~0.5 kg·m-3·d-1(李金涛等，2012)，阴极脱氮MFC 的硝酸盐去除负荷为0.07~0.18 kg·m-3·d-1(温青等，2008;杨金萍，2012)，而本实验系统最大硝酸盐去除负荷可达到0.155 kg·m-3·d-1(以N计)，说明本系统具有较好的脱氮性能.由表 2可得，不同初始硝酸盐浓度下电压下降段的库仑效率远低于全周期库仑效率，库仑效率下降90%以上，这是由于反硝化作用消耗电子，导致进入外电路循环的电子减少，造成系统库仑效率的下降，且随着进水中硝酸盐初始浓度的升高，总库仑效率具有下降趋势.3.4 阳极生物膜电化学阻抗分析为探究不同硝酸盐浓度下MFC系统内阻的组成及变化，在阳极室添加硝酸盐后输出电压下降达到最低点时，对其进行电化学阻抗谱(EIS)测试.在复阻抗平面上，将测得阻抗的实部(Z′)作为横坐标，虚部绝对值(-Z″)作为纵坐标，绘制Nyquist图.在不同硝酸盐浓度下MFC的EIS测试结果如图 3所示.图 3 不同阳极初始硝酸盐浓度下微生物燃料电池的Nyquist图将交流阻抗图用Zview软件进行模拟，等效电路如图 4所示.电极和溶液之间的双电层一般用等效电容来表示，实际中由于碳毡本身材料具有不平整性且附着有生物膜，会产生“弥散效应”，所以用恒相位角元件CPE来表示双电层阻抗;Rs为欧姆内阻;Rct为传荷内阻，反映了活化过程的特征;W为扩散阻抗(Warbug阻抗)，反映了传质过程的特征(史海凤，2012).以阳极初始硝酸盐浓度为300 mg·L-1时的EIS数据进行等效电路模拟举例(图 5)，可发现拟合值与实测值具有较好的重合性，其余各浓度下均具有较好的拟合效果.图 4 不同阳极初始硝酸盐浓度MFC等效电路图 5 阳极初始硝酸盐浓度为300 mg·L-1时的等效电路拟合表 3为不同硝酸盐浓度下通过拟合等效电路所得的MFC阻抗值.由表 3可得，当硝酸盐浓度为0、50、100、250 mg·L-1时，传荷阻抗占该等效电路总电阻值的绝对份额分别为78.7%、76.8%、77.3%、72.8%，表明阳极生物膜发生的电化学反应是传荷控制过程.进一步分析系统各阻抗值的变化趋势可知，硝酸盐浓度为50、100、250 mg·L-1时的传荷内阻比不加硝酸盐时MFC的传荷内阻分别降低了6.7%、11.0%、31.3%，表明当硝酸盐的浓度低于250 mg·L-1时，随着硝酸盐浓度的升高，系统传荷内阻减小，微生物发生催化反应需要克服的活化能垒降低.这可能是因为阳极室内优势菌为Pseudomonas sp.C27，其具有反硝化及产电功能，硝酸盐的加入促进了该细菌的生长，更多的有机物质被该类细菌利用，细菌活性增强，从而提升了其电子传递效率.Dunaj 等(2012)的研究也表明，MFC的产电菌种在长期的驯化刺激下，适应该环境的微生物会大量富集，进而影响系统产电及污染物降解性能.同时，本文也对不同硝酸盐浓度下的阳极液进行了电导率测定，测定结果如表 4所示，结果显示，硝酸盐的加入会提高阳极液的电导率，这在一定程度上也会对系统的产电具有促进作用.而当硝酸盐浓度大于250 mg·L-1时，系统传荷内阻具有增大趋势，此时阳极液的电导率值与250 mg·L-1硝酸盐浓度下的电导率值相差不大，造成系统传荷内阻增大的原因很可能是此时大部分电子被反硝化作用消耗，产电菌活动受到抑制;且由表 2可知，此时硝酸盐降解速率产生下降趋势，说明过高的硝酸盐浓度抑制微生物活性.而当硝酸盐浓度上升至500 mg·L-1时，Nyquist图低频段紊乱，表明电池内部受到破坏，且该浓度下输出电压大幅下降，后续运行中电压均未回升，表明微生物生长受到极大的抑制，已经无法构成有效的电路，造成EIS测试结果异常.表 3 不同阳极初始硝酸盐浓度下MFC阻抗拟合数据表 4 不同硝酸盐浓度下阳极液的电导率由此可见，当阳极初始硝酸盐浓度小于250 mg·L-1时，硝酸盐的加入有助于降低MFC的传荷内阻，提升电子的传递效率;而当硝酸盐浓度大于250 mg·L-1时，硝酸盐浓度的上升会造成传荷内阻的不断增加.因此，在MFC的实际应用中，需注意控制硝酸盐浓度的影响，可考虑结合其它的水处理工艺控制进水的硝酸盐浓度，以达到较高的污染物去除效率及能源回收效率.3.5 阳极微生物群落结构分析阳极微生物在电子向电极的传递及污染物降解转化的过程中起着至关重要的作用，对不加硝酸盐的阳极生物膜和加入硝酸盐浓度为250 mg·L-1的阳极生物膜取样，对样品进行IlluminaMiSeq测序分析，相关结果如图 6所示，其中，不加硝酸盐表示进水中无硝酸盐，加硝酸盐表示进水硝酸盐浓度为250 mg·L-1.图 6 进水有无硝酸盐对阳极生物膜群落结构组成的影响(a.门水平 b.属水平)在系统中，变形菌门(Proteobacteria)为绝对的优势菌种，在不加硝酸盐时(50.6%)和加入硝酸盐后(91.9%)所占比例均非常高.而在属的水平上进行分析，在不加硝酸盐时，MFC阳极菌种虽然菌种丰富，但丰度普遍不高，而加入硝酸盐并运行一段时间后，假单胞菌(Pseudomonas)和陶厄氏菌(Thauera)富集成为MFC阳极的优势菌种，所占比例分别为52.48%和30.9%.假单胞菌属γ-变形菌纲下的异养菌，以有机物为氮源和能源，进行无氧呼吸.本体系具体检测到的菌种为Pseudomonas sp. C27(相似度99%);Lee等(2009)曾用该纯菌种成功启动MFC，并证明该菌种具备产电及反硝化性能.陶厄氏菌属是β-变形菌纲下的一类革兰氏阴性细菌，大都为杆状且具有反硝化能力.Morgan等(2008)报道了陶厄氏菌在活性污泥反硝化过程中起着非常重要的作用，其具有较高的反硝化活性.具体参见污水宝商城资料或更多相关技术文档。
微生物燃料电池技术及其在废水处理上的应用
科技研究农家参谋-207-NONG JIA CAN MOU微生物燃料电池技术及其在废水处理上的应用陈偲 袁程鹏（中国农业大学，北京，100193）微生物燃料电池技术(MFC)作为一种新型能源利用技术，因其环保、经济、可再生等性质发展迅速。
文章介绍了MFC 技术的基本原理、构造和特点，概述了MFC 技术在废水处理上的最新应用，并分析了该技术的发展限制因素，并在此基础上展望了该技术的前景。
1 MFC 的基本构造及基本原理MFC 以微生物作生物催化剂，利用有机物在常温常压下进行能量转换。
微生物燃料电池的主要构造分为阳极室和阴极室，质子交换膜将两室隔开。
阳极室常用的材料为不同构型的碳基材料，如石墨片、石墨颗粒等，该材料导电性高，经济易得，具有生物相容性，但内阻较大导致产电率低[2]。
阴极室的材料一般包括生物阴极、电解液阴极，对于单室微生物燃料电池，常是省略阴极，直接以空气作为气相反应室，以氧气为其中的氧化剂，但是氧气反应速率慢，需要额外添加催化剂如铂。
质子交换膜属于阳离子交换膜的一种，其作用在于分隔阴极室和阳极室并且实现质子的迁移。
MFC 的离子交换膜有很多种，如双极膜、超滤膜，以及新型的膜分割材料如磺化聚醚醚酮膜，聚偏二氟乙烯膜，黏土多孔膜等[4]。
但是质子交换膜的导电性高，阻抗低，应用更为广泛。
在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子。
电子在细胞内转移到细胞膜，由细胞膜转移到阳极表面后，再通过外电路传递到阴极形成电流。
质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂（一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
MFC 通常作为封闭系统设备运行，其中阳极室保持在厌氧条件下。
这是为了促进具有电子转移能力的专性厌氧细菌的生长，如地杆菌。
到目前为止，已确定具有参与电子传递能力的细菌燃料来源包括废水、海洋底泥、淡水底泥、土壤和活性污泥等。
MFC 运行的效率取决于基质降解的速率，其理论上的电动势依赖于吉布斯自由能的总体反应，由特定阳极基体与阴极氧化剂的标准还原电位之差计算得出。
微生物电化学法处理氨氮废水研究进展
微生物电化学法处理氨氮废水研究进展微生物电化学法处理氨氮废水研究进展随着工业化和城市化的迅速发展，氨氮废水排放量大幅增加，对环境造成了严重的污染问题。
氨氮是一种常见的有机氮化合物，主要来源于农业废水、化工废水和家庭生活污水等。
氨氮的高浓度废水会导致水体富营养化，严重影响水质和水生态系统的平衡。
因此，寻找高效、经济的废水处理技术成为了当前研究的热点之一。
微生物电化学法是一种结合了微生物学和电化学的新兴废水处理技术，被广泛应用于氨氮废水处理领域。
它利用微生物的电化学活性，通过微生物与电极表面之间的直接或间接电子转移，实现了氨氮的高效降解和去除。
微生物电化学技术的处理流程包括阳极和阴极两个电极系统。
阳极中的微生物通过氧化底物产生电子并将其传递给阳极，同时释放氢离子。
通过阴极中的电子供应，氢离子被还原为氢气或以还原态形式存在。
微生物电化学方法还包括微生物燃料电池（MFC）和微生物电解池（MEC）等不同的系统。
氨氮废水通过微生物电化学法处理的优势之一是在低温下可以有效降解。
相比传统降解技术，微生物电化学法不受温度限制，适用于大部分氨氮废水的处理。
此外，微生物电化学法的反应过程是相对温和的，避免了高温环境下可能产生的挥发性有机物等问题。
在微生物电化学法处理氨氮废水的研究中，研究者们还应用了不同类型的电极材料和微生物种类。
阳极常使用碳材料，如石墨、碳纳米管和氧化石墨烯等。
这些材料具有良好的电导性和催化活性，能够提高电子传递效率和氨氮废水的去除率。
阴极可以使用不同的电极材料，如铜、铁、银和铳等。
同时，选择适应性强的微生物菌株也对提高废水处理效果起到了重要作用。
在微生物电化学反应过程中，一些特定的电子中介物质也能够增强微生物与电极之间的电子转移效果，进一步提高氨氮废水的降解效率。
此外，微生物电化学法在处理氨氮废水中还存在一些挑战。
首先，阳极和阴极之间的电子传输过程常常受到阻碍，需要更进一步的研究来提高传输效率。
其次，当前微生物电化学技术的产氢效率还有待提高。
微生物燃料电池在污水处理中的应用及挑战
微生物燃料电池在污水处理中的应用及挑战微生物燃料电池在污水处理中的应用及挑战一、引言随着人口的增加和工业化的发展，城市化进程加快，污水处理问题越发重要。
传统的污水处理方法如物理化学法和生化处理法，存在着能耗高、处理效果差等问题。
近年来，微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）作为一种新型的污水处理技术，因其高效、低能耗、无需化学物质等优势而备受研究者关注。
本文将探讨微生物燃料电池在污水处理中的应用以及所面临的挑战。
二、微生物燃料电池原理及基本结构微生物燃料电池是基于微生物催化作用来转化有机废水中的化学能为电能的一种技术。
其基本原理是利用微生物在氧化和还原过程中所产生的电子，通过电极间的电传导来实现电能的转化。
微生物燃料电池一般由两个电极（阴极和阳极）和中间的电解质组成。
阴极是电子受体，阳极是电子供体，两者通过电解质相隔。
三、微生物燃料电池在污水处理中的应用1. 污水处理厂中的应用微生物燃料电池可用于污水处理厂的工艺流程中，能够提高废水处理效果，同时产生可再生能源。
通过将微生物燃料电池与传统的好氧污泥活性污泥法相结合，可以改善处理效果，减少处理时间和能耗。
2. 农村地区的应用微生物燃料电池在农村地区也有较大的应用前景。
农村地区多为离散、散居的污水处理问题，而微生物燃料电池可以灵活布置，不受地域限制。
此外，微生物燃料电池可以利用农村污水中的有机物质，不仅能够解决污水处理问题，还可以生成电能，满足乡村地区的电力需求。
四、微生物燃料电池在污水处理中的挑战1. 微生物选择和控制微生物燃料电池的性能和稳定性高度依赖于微生物群落的选择和控制。
然而，自然环境中的微生物群落多样性较大，存在选优能力差、产电效果低等问题。
因此，如何选择适宜的微生物种类以及控制微生物群落的结构仍然是一个挑战。
2. 生产电流与能耗的平衡微生物燃料电池的性能评价指标之一是产生的电流密度。
目前的研究中，电流密度还远远低于实际应用需求。
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利用微生物电池技术处理废水
进入21世纪，由于微生物燃料电池高效、清洁、环保的独特优点，利用微生物电池技术处理废水的研究在全球掀起热潮。
通过微生物燃料电池技术的特点和原理的介绍，综述了微生物燃料电池废水处理技术的优势，分析了存在的问题，并在此基础上指出微生物燃料电池废水处理技术研究的重点突破方向。
标签：微生物燃料电池；废水处理；产电
废水处理是高能耗行业。
据统计，仅我国每年用于废水处理的耗电量就占全国总发电量的1%[1]，而美国等发达国家更高达3%[2]。
随着能源短缺的日益加剧，节能降耗已成为废水处理行业急待解决的现实问题。
至今为止，废水的处理技术主要采用好氧生物处理和厌氧生物处理两种方法。
但是，这两种方法都有其缺点。
好氧生物处理消耗能量大且运行费用高，而厌氧工艺的产出物甲烷无法实现能源的回收，会加剧着地球温室效应。
近年来，由于生物技术的不断发展，污水的生物处理成为污水处理领域的主要技术，得到了研究者的广泛重视。
进入21世纪，由于微生物燃料电池高效、清洁、环保的独特优点，利用微生物电池技术处理废水的研究在全球掀起热潮[3]。
1 微生物燃料电池特点
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，简称MFC）是一种以微生物为催化剂产生电能的新方法，可以利用细菌通过生物质产生生物电能。
它是一种将化学能在微生物的作用下直接转化为电能的装置[4]。
其问世于20世纪初，但在此后很长的一段时期内，其研究陷入停滞。
20世纪末，由于能源危机的巨大压力以及化石能源的环境污染，MFC研究再度受到人们关注。
二十世纪八十年代以后，电子中介体的使用，使得微生物燃料电池的电流密度和功率密度有较大提高，但因为其性能不稳定性且成本较高，使其不能广泛应用。
近年来，高活性微生物及无氧化还原介体方式的发现，极大促进了微生物燃料电池的发展[5]。
MFC在理论上具有很高的能量转化效率，其具有以下优势：（1）燃料来源多样化：可以利用一般燃料电池不能利用的有机物，无机物、微生物呼吸的代谢产物、发酵的产物，以及污水等作为燃料。
（2）电池的操作条件较温和：由于使用微生物作为催化剂，电池常温常压下即可运行，这与现有的发电过程不同，使得电池维护成本低、安全性强。
（3）生物相容性好：利用人体血液中的葡萄糖和氧气作燃料，可为植入人体的一些人造器官提供电能。
（4）无需能量输入：微生物本身就可以进行能量转化，把燃料能源转化为电能，为人类提供能源。
（5）由于微生物燃料电池的唯一产物是水，所以该技术无污染，可实现零排放。
（6）能量利用率高，能量转化过程无燃烧步骤，可直接将化学能转化为电能，能量利用效率较高[6]。
2 微生物燃料电池工作原理
图1是微生物燃料电池工作原理简易示意图。
在微生物燃料电池中，可降解有机质在细胞内被微生物代谢分解，此过程中产生的电子通过呼吸链传输到细胞膜上，然后电子进一步从细胞膜转移到电池的阳极上。
阳极上的电子经由外电路到达电池的阴极，最终，电子与电子受体（氧化剂）在阴极表面上相结合。
而有机质代谢分解过程中产生的质子则在电池内部通过阳离子交换膜从阳极区扩散到阴极区。
电子和质子的移动完成了整个微生物燃料电池的电子传递过程[7]。
3 利用微生物电池技术处理废水
微生物燃料电池废水处理技术，是将微生物作为阳极催化剂，将有机废水作为MFC阳极的底物，通过微生物的代谢作用将生活污水和工业废水中含有的大量有机物作为燃料氧化，使有机物降解，废水被处理，同时获得电能[8]。
该技术基本核心是提高细菌处理废水的效率及增强细菌对废水冲击负荷的适应性。
除了改善废水处理构筑本身的结构设计的方式，目前这方面的技术归纳起来基本为提高细菌有氧代谢或无氧代谢效率及细菌对废水浓度的耐受性。
采用MFC处理废水是废水处理技术的创新。
传统废水处理技术通常将废水当作无用的废物，以消耗电能来去除这些含能污染物，而MFC可将废水污染物用于生产电能，处理废水的同时生产电能[9]。
与传统废水生物处理技术相比，MFC具有其独特优势（见表1）[10]。
和传统的废水处理技术相比，微生物燃料电池具有以下特点：（1）同步废水处理和高效产电；（2）可在常温常压下运行，对运行环境无特殊要求；（3）可以实现不同种类的废水处理；（4）伴随废水处理过程产生的气体无需进一步处理，环境友好。
表1 MFC与传统废水生物处理技术的对比
4 微生物燃料电池废水处理的主要问题及解决方法
微生物燃料电池技术在许多方面已经取得了重大突破，但依然没有解决处理废水速率慢、功率低的问题。
目前，微生物燃料电池废水处理面临的主要问题包括[11]：
4.1 微生物细菌与电极之间的电子传递过程缓慢，产电功率密度低。
4.2 对于细菌本身的呼吸方式和电子传递到电极机理研究不够，没有建立起完善的体系。
4.3 使用价格不菲的碳纸、载铂碳纸等材料作电极等因素导致了电池的造價成本高，增加了MFC技术在废水处理领域的应用成本。
而MFC多以间歇操作为主，且反应器容积过小，这些结构上的缺陷也严重制约了MFC技术的发展和废水处理领域的大规模实际应用。
4.4 研究的阳极底物一般仅为有机养料和模拟废水的混合物，对高有机物浓度废水的MFC技术研究较少，针对废水处理的MFC基础研究较少。
针对以上问题，还需要在以下几个方面进行进一步研究，以推动MFC技术在废水处理方面的实际应用[12]：
（1）开发高效的直接电子传递型产电菌种，通过菌群组合、基因改造等方法优化产电菌群。
（2）研究生物兼容性好，电子传递性能优秀的电极材料，促进阳极电子传递过程，改善电池功率输出。
（3）优化反应器结构，减少传质阻力，增大反应器容积，提高输出功率。
（4）加强MFC技术在废水处理领域的基础研究，研究MFC对高有机物浓度废水的处理效率及处理机理。
5 结束语
微生物燃料电池废水处理技术代表了未来水处理技术的发展方向。
近几年时间来，MFC技术分别在微生物、系统构型与材料方面取得了重大发现。
但是在改善电极电化学性能、提高电池输出功率密度及降低电池成本等方面还需进行深入探索。
相信随着MFC 研究的不断深入，MFC的工业化应用将为期不远。
参考文献
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作者简介：姜秀华（1975-），女，天津人，工程师，主要从事电池方面的研究。