微生物燃料电池的阻抗特性以及在生物阴极实现硝化的研究

微生物燃料电池(Microbial fuel cells, MFCs)是一种利用微生物作为催化剂将化学能直接转变为电能的技术。微生物燃料电池的电阻与电容是其启动过程以及产电特性的重要影响因素。本论文采用交流阻抗法、极化曲线斜率法和功率密度峰值法研究了在微生物燃料电池启动过程中内阻和电容的变化规律,并且讨论了电阻、电容、工作电压和开路电压等之间相互关系。另外,微生物燃料电池去除废水中有机物已经进行了大量研究。然而,微生物燃料电池去除营养盐的能力较弱是将来产业化的挑战之一。本文研究了MFCs生物阴极在稳定产电的同时实现硝化作用的可行性,并对阴极中的铁锰氧化细菌以及硝化细菌进行计数。在MFCs启动过程中,交流阻抗法测得的总内阻和活化内阻逐渐变小,较好地反映产电微生物繁殖以及驯化过程。极化曲线斜率法能够区分活化内阻、欧姆内阻与浓差内阻,但测量值波动较大。功率密度峰值法测得MFCs的内阻数据稳定,对选择MFCs的外接电阻有参考意义。在MFCs启动过程中,MFCs的电容与工作电压和开路电压基本呈正相关,而与电池的内阻呈负相关。MFCs的电容变化规律也能够较好地反映产电微生物繁殖以及驯化过程。以铁锰氧化细菌为生物阴极催化剂的MFCs在稳定产电的同时实现了生物硝化反应,其硝化速率为0.792mgNO3--N/(L-h), NO2--N最高积累浓度为0.77mg/L。阴极进水中氨氮以及溶解氧浓度均是重要影响因素。生物阴极中的铁锰氧化细菌和硝化细菌的数量是7.5×106MPN/mL和9.3×105MPN/mL。