几乎所有现在使用的传统电力生产工艺,都是燃烧产生污染的化石燃料,既昂贵又对环境产生污染。因此,由厌氧发酵的氢生产和由微生物燃料电池的电力生产,受到广泛的研究,这些发电工艺使用包括废水的各种的基质。从废有机构提取可再生能,能使在能量生产的同时,完成废物(包括废水)处理。
微生物燃料电池是一种生物化学催化系统,它在发酵细菌或酶存在下,通过使可降解有机物氧化产生电力。微生物一般出现在燃料电池的阳极室,起催化剂的作用,通过有机基质的厌氧呼吸作用,产生电子(e-)和质子(H+)。电子从阳极通过导线传递到阴极,形成电流。质子透过交换膜(它把阴极室和阳极室隔开)进入阴极室,在那里通过中介物同电子结合。呼吸系统和电子接受体之间的电势,产生形成电力的电流和电压。微生物燃料电池产生电力的功能和效率,一般取决于以下因素:使用碳源的性质,燃料电池的形状(单1多室)、尺寸和容积,电极的性质和型式,存在于阴极室的中介物,使用的电解液,运行温度,用于阳极室的接种物(生物催化剂)的性质,以反质子交换薄膜的性质。
报告发表的《Bioresource Technology》2008年No.3上的一个研究,探究了使用无中介质微生物燃料电池时,鼓风阳极和铁氰化物阴极对生物电力生产的影响,该微生物燃料电池用挑选的强化产H2的混合接种物做阳极细菌(生物催化剂)。
挑选的强化产H2的混合接种物,取自一个实验室规模的产分子H2生物膜反应器,此反应器两年来用化学废水做基质运行。这种被采用的微生物群要经受热冲击(100℃,2小时)预处理和酸预处理(用正磷酸调节pH为3,24小时)这样去抑制产甲烷微生物生长,并强化产H2嗜酸微生物。这样得到的强化混合微生物群体,用来做起动燃料电池的接种特。
实验中两个微生物燃料电池分别运行,目的是评估和比较铁氯化物阴极和鼓风阴极的生物电生产的效率。两个微生物燃料电池用树脂玻璃制成燃料电池由两个容积相等(0.75L)的室构成,由质子交换膜分隔,成为阳极室和阴极室,两块石墨板(4×5mm,厚100mm),不经表面喷涂,用来做阳极和阴极。阳极上被钻出许多0.1cm直径的孔,以使增加表面积。两个电极各离质子交换膜6cm。阳极和阴极分别有83.56cm2和70cm2的表面积。铜线用来做两个电极的导线。
铁氰化合物微生物燃料电池的阴极室,注入铁氰化合物(50mM K2HPO4缓冲液中含50mM K3 Fe(CN)6)用作阴极电解液中的中介物。阴极溶液用磁性珠连续搅拌(50rpm),以此保证质子、电子和中介物之间的有效接触。鼓风微生物燃料电池的阴极室,则注入磷酸盐缓冲液(50mM K2HPO4)作为阴极电解液。电解液用气泵不断喷射入空气。在鼓风微生物燃料电池阴极室,溶解氧浓度在4—5mg/L之间。两种燃料电池的阴极电解液的pH值继持在7.5。两种燃料电池的阳极室,类似通常使用于废水处理的厌氧悬浮接触生物学反应器的结构。阳极室在起动之前用挑选的强化产H2混合微生物群体(2g挥发性固体)/L接种。阳极电解液混合物用蠕动泵以100ml/min的流量进行连续再循环,以此降低基质的梯度,并促进基质和混合微生物之间的有效接触。阳极电解液的pH什维持在6.0±0.1,以利于维持产酸细菌生存,同时压抑产甲烷菌的活动。两个微生物燃料电池都在4.316g COD/L的恒定负荷,以一次投料的方式,在室温(29±2℃)和大气压下运行。
实验结果显示,在废水处理的同时,生产电力是可行的。在电力产生和基质去除率等方面,用铁氰化合物阴极电解液的微生物燃料电池,比用鼓风阴极的微生物燃料电池优前者的有关数值为586mV,2.37mA,0.559kg COD/m3.d,后者的数值为572mV,1.68mA,0.464kg COD/m3.d。最大电力产出在电阻为100欧姆时,在铁氰合化物微生物燃料电池和鼓气微生物燃料电池,分别为0.635W/kgCOD和0.440w/kgCOD,最大电流密度分别为222.59mA/m2和1.90.28mA/m2。(陈捷译自《Bioresource Technology》)