含氮杂环化合物对微生物燃料电池性能影响的研究-环境科学与工程专业论文.docxVIP

含氮杂环化合物对微生物燃料电池性能影响的研究摘 含氮杂环化合物对微生物燃料电池性能影响的研究 摘 要 难降解有机物是指被微生物降解速度慢且分解不彻底的一类有机物，如杂环 类化合物、酚类化合物等。其中很多物质生物降解性能很差，在自然环境中不易 被生物降解，可以长期稳定地存在于土壤和水体中，对人体和动物具有毒性作用 如致癌、致畸、致突变等，已经构成了对人类身体健康和生态系统的严重威胁。 因此，难降解有机污染物的治理一直是环保领域的一个重要研究课题。目前，在 难降解有机物的处理方面开发了许多新技术包括：氧化技术、电解技术、生物强 化技术、细胞固定化技术、生物强化技术、酶技术等。这些处理方法基本上都存 在着操作条件严格、耗费时间长、成本过高、伴随有毒污染物生成等弊端。 目前，解决日趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类社会能够完成可 持续发展的两大根本性问题。微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是一种微 生物技术与电池技术相结合的产物，是以微生物为催化剂，将有机物中的化学能 转化成电能的装置。MFC结合了生物法处理废水核心技术一有氧代谢方式和无氧 代谢方式的优点，它在有效处理废水的同时能够产生电能，该特性为废水处理技 术持续发展提供了新的思路。近年来，微生物燃料电池作为一种新型的能量转化 方式，受到研究者的广泛关注。MFCs利用的燃料包括易降解有机物(如有机酸 和糖类)，难降解有机物(如木质素和苯酚)，模拟废水和实际废水(如啤酒废 水和淀粉加工废水)都取得了较好的效果。微生物燃料电池的研究与应用开发涉 及到从微生物、电化学到材料学和环境工程等科学领域。 本文介绍了微生物燃料电池的基本特征及其最新的研究进展，难降解有机物 处理新技术，设计并自制双室微生物燃料电池，以长沙市某污水处理的厌氧污泥 为接种液进行了产电细菌的驯化，以有毒难降解的典型含氮杂环化合物为燃料， 比较研究不同底物及浓度的产电性能和有机质的去除效率，微生物燃料电池技术 与传统厌氧生化处理技术在生物降解含氮杂环化合物方面的优势。根据GC／MS 的分析结果推测不同底物在MFC中的生物降解途径。同时也考察仅以厌氧污泥 为底物单独存在时，微生物燃料电池中的产电情况及分析其污泥成分变化。试验 结果表明，以厌氧污泥作为接种物，对研究含氮杂环化合物在微生物燃料电池中 的产电性能影响不大。在给定菌种来源条件下，分别以吡啶、喹啉和吲哚作为唯 一碳源时，双室微生物燃料电池的输出电压曲线呈有规律的三个阶段：上升阶段、 平台阶段、下降阶段，但产电能力存在着差异，其中吲哚和喹啉的输出功率明显 高于吡啶，这反映了厌氧活性污泥对不同底物及浓度的产电选择性。DMFC的最 大输出电压分别为524mV(吲哚，120mg／L)，494mV(喹啉，120mg／L)，413mV 硕上学位论文(吡啶，60mg／L)，相应的最大输出功率密度分别为228．8mW／m2，203．4mW／m2， 硕上学位论文 (吡啶，60mg／L)，相应的最大输出功率密度分别为228．8mW／m2，203．4mW／m2， 142．1mW／m2(按外电阻1000f2和阳极截面积计算)，随着底物浓度的增大，双室燃 料电池的最大输出电压升高，产电周期和平台持续时间也增长。但吡啶没有像喹 啉和吲哚一样表现出此规律。同时MFC对各种含氮杂环化合物的降解效率和 COD的去除率分别达到90％和88％以上。含氮杂环化合物产电性能和降解情况的 不同与其本身的分子结构、电荷特性、物理化学特性等有很大的关系。MFC闭路 条件下对底物的降解速率高于开路厌氧条件下降解速率约10％，这表明，在MFC 运行条件下有可能促进相应微生物对含氮杂环化合物的利用和分解，也可能存在 新的厌氧降解途径，从而增大了底物的降解速率。同时利用GC／MS检测到了各 基质的代谢中间产物，并推测了其生物降解途径。MFC可以在实现高效降解含氮 杂环化合物的同时可稳定地向外输出电能，这为含氮杂环芳烃类难降解有机物的 高效低耗处理提供了新的途径。MFC技术具有产电与污水处理的双重功效，代表 了当今最前沿的废弃物资源化利用方向，有望成为未来有机废弃物能源化处置的 支柱性技术。 关键词：含氮杂环化合物；降解；微生物燃料电池；产电 III 含氮杂环化合物对微生物燃料电池性能影响的研究Abstract 含氮杂环化合物对微生物燃料电池性能影响的研究 Abstract Refractory organic compound is a class of organics that is difficult to be biodegraded such as phenols compound and heterocyclic．Their poor biodegradability m