新型小球藻生物阴极型MFC的基础特性研究毕业论文.doc

2011届毕业设计（论文）题 目：新型小球藻生物阴极型MFC的基础特性研究 学 院：生物与制药工程学院 专 业：生物技术 姓 名：张鑫 指导教师：周楚新 教授 起讫日期：2011年3月2011年6月 2011年6月新型小球藻生物阴极型MFC的基础特性研究摘要随着全世界范围内能源紧缺和环境污染问题的加剧，研发新的环境友好处理工艺从有机废水中回收有价能源已经成为环境工程领域一个重要的方向。能源微藻生物阴极型微生物燃料电池因可同时实现污染治理、零碳排放、电能产生、CO2捕捉、生物柴油及藻体残渣等有价回收的多重功效，具有广阔的应用前景。本文利用自行创新设计的阴极利于小球藻生长的MFC反应器作为实验模型，首先以正常阴极液对其进行启动运行，待阳极产电菌富集成熟，电池产电稳定以后分别考察了阴极正常运行期、阴极加藻期、阴极换载铂电极期、阴极持续光照期这四个不同周期运行条件下该MFC的产电情况、阴极小球藻的生长情况、阴极溶氧情况及阳极人工废水的COD处理情况。试验结果表明阴极投加小球藻后MFC的产电水平、阴极溶氧水平、阳极人工废水的COD处理率都有了明显的提高，最终在阴极持续光照期得到最大输出电压为483.1mv，是阴极正常运行期的4.8倍，最大输出功率密度为27.5mW/，是正常运行期的28.9倍，内阻为为480.7，是正常运行期的0.4倍，阴极溶氧的平均水平较稳定，大约为6.4mg/L，而阴极正常运行期时溶氧由初始4.71mg/L一直降到1.08mg/L，阳极人工废水处理10d后的COD处理率为83.21%。同时将小球藻放至MFC的阴极室进行培养并不会对其造成毒害，小球藻生长情况良好。 关键词:小球藻，微生物燃料电池（MFC），生物阴极，输出电压Basic characteristics research of a novel MFC with Chlorella biocathode AbstractWith worldwide energy shortage and environmental pollution increasing, the development of new environmentally friendly wastewater treatment process to recover energy has become an important field of environmental engineering direction. Microbial fuel cell(MFC) with energy microalgae biocathode can be simultaneously achieved pollution control, zero carbon emissions, power generation, CO2 capture, and algae biodiesel and other valuable residue recycling multiple effects, has broad application prospects. In this paper, the innovative design of their own beneficial to the Growth of the cathode MFC reactor as an experimental model, the first to start its normal operation liquid cathode, anode producing electricity Enrichment be mature, stable power battery production were investigated after the normal cathode run, adding algae into the cathode, the cathode electrode of Pt and the cathode light of this ongoing cycle of four different operating conditions, the MFC producing electricity, the growth of Chlorella and dissolved oxygen conditions in the cathode, and the COD treatment situation of the artificial water in anode . The results show that adding Chlorella into the cathode production after the MFC power level, dissolved oxygen level of the cathode, anode COD artificial wastewater treatment rate had a significant increase and, ultimately, the greatest period of continuous light cathode output voltage is 483.1mv, is 4.8 times as the normal operation ; the maximum output power density is 27.5mW / m, is 28.9 times as the normal operation ; the internal resistance is 480.7, is 0.4 times as the normal operation; the average level of dissolved oxygen in cathode is stable and approximately 6.4mg / L, The COD treatment rate of the anode artificial wastewater is 83.21% after 10d. cultivating Chlorella in the cathode chamber of the MFC dont cause poisoning, chlorella growed very good. Key words: Chlorella, microbial fuel cell (MFC), biocathode, the output voltage 目 录Abstract2第一章文献综述41.1能源发展与环境问题41.2 微生物燃料电池41.2.1 微生物燃料电池的工作原理41.3 微藻型微生物燃料电池51.3.1 微藻阳极底物型MFC61.3.2微藻生物阳极型MFC61.3.3微藻生物阴极型MFC81.4微生物燃料电池的应用前景91.5本课题研究内容，目的及意义91.5.1本课题研究目的及意义91.5.2 本课题的主要研究内容9第二章 实验材料与方法102.1实验材料102.1.1主要试剂及仪器102.1.2实验装置112.2实验方法122.2.1 MFC的接种及启动运行122.2.2 MFC运行条件142.2.3 测定指标及方法142.2.4 实验材料处理方法152.2.5实验内容15第三章 结果与讨论163.1 各周期输出电压的情况163.2 各周期阴极藻的生长情况173.3 各周期阳极人工废水的COD处理情况183.4各周期阴极溶氧的变化情况18第四章 结论与展望214.1结论214.2 展望22参考文献23第一章文献综述1.1能源发展与环境问题 能源是人类赖以生存的物质基础，它与社会经济的发展和人类的生活息息相关，开发和利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程。20世纪50年代以后石油危机的爆发，对世界经济造成了巨大影响，国际舆论开始关注起世界“能源危机”问题。世界能源危机是人为造成的能源短缺。联合国环境署的报告表明，整个地球的环境正在全面恶化，环境问题是一个全球性问题。社会发展至今天，人类己经强烈地意识到和感受到生存环境所受的威胁，也热切地期盼着生活空间质量的改善。目前国际社会关注的全球性环境问题主要包括:臭氧层破坏、温室效应和气候变暖、大气污染和酸雨、生物多样性减少、放射性物质污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等，尤其是全球气候变化、酸雨和大气污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等重大环境问题，日益受到世界各国的普遍关注。而这些问题的产生，均与能源的开采、加工或利用有着密切的关系1。随着经济的不断发展，能源和环境问题日益突出。如果能源和环境问题得不到有效解决，不仅人类社会可持续发展的目标难以实现，而且人类的生存环境和生活质量也会受到严重影响。因此，世界各国在能源的战略和政策上更加强调能源与环境的关系，更加注意环境保护的重要性2。1.2 微生物燃料电池 微生物燃料电池(MFC)是利用酶或者微生物作为阳极催化剂，通过其代谢作用将有机物氧化产生电能的装置，它属于生物质能利用技术中的生物化学转化技术，将生物质转化为电能。将微生物燃料电池应用到废水处理领域，在处理有机废水的同时获得电能，是缓解当前能源危机和解决环境问题的有效途径，也是环境能源领域的热点研究课题之一。1.2.1 微生物燃料电池的工作原理 微生物燃料电池利用微生物作为反应主体，利用微生物的代谢产物作为物理电极的活性物质，引起物理电极的电位偏移，增加了电位差，从而获得电能，即将燃料的化学能直接转变为电能。以有质子交换膜的双室微生物燃料电池为例（如图1），它的工作原理3,4是:在阳极区，微生物将有机底物氧化，这个过程要伴随电子和质子（NADH)的释放;释放的电子在微生物作用下通过电子传递介质转移到电极上;电子通过导线转移到阴极区，释放出来的质子透过质子交换膜也到达阴极区;在阴极区，电子、质子和氧气反应生成水。随着阳极区有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行，在外电路获得持续的电流。以葡萄糖为例，其反应式如下: 图1-1 MFC的结构及原理示意图3Fig.1-1 Schametics of the structure and working principle of MFC阳极反应:C6H12O6+6H2O6CO2+24H+ +24e- (l-l)E0=0.014 V阴极反应:602+24H+ +24e-12H2O (l-2)E0=1.23 V1.3 微藻型微生物燃料电池微藻与MFC技术分别因其高关注度均发展很快，但将两项技术进行结合（即微藻型MFC）开展相关研究的报道还比较少。早在1964年，Berk等6就开展了微藻型MFC的研究。他们以Rhodospirillum rubrum(红螺菌属)于阳极室厌氧光照培养，同时将blue-green marine algae(蓝藻)附着于多孔铂电极上于阴极室光照培养构建MFC，获得0.96V的最大开路电压以及750mA/m2的短路电流。但此MFC的能量利用效率仅为0.1-0.2%，与当时传统的太阳能电池技术相比还很低，因此相关研究一度停滞。直到近几年，微藻和MFC技术的分别发展，以及太阳能综合利用技术的研究，微藻型MFC又重新获得研究者们的关注。按照微藻在MFC系统中的作用来划分，可将微藻型MFC分为微藻阳极底物、微藻生物阳极、微藻生物阴极三种类型。1.3.1 微藻阳极底物型MFC微藻阳极底物型MFC是将微藻作为阳极室阳极板上微生物可资利用的底物所构建的MFC。微藻是一种单细胞绿色植物，其生长速度快、占地面积小并且不与农作物竞争土地，藻体富含叶绿素、蛋白质、碳水化合物、油脂等，少木质素和纤维素7。MFC可以通过阳极产电微生物的作用对藻体进行水解和发酵，微藻在生长繁殖过程中也会分泌一些可溶性有机物(例如多糖等)被产电微生物所利用，最终产生清洁电能，这为微藻的资源化利用提供了一条新路径。微藻阳极底物利用方式又分为原位利用和异位利用。原位利用方式是将藻类作为底物直接加入MFC阳极室进行利用。陈辉等8在沉积型MFC阳极区中投加未经脱水脱毒处理的蓝藻，与相同条件下葡萄糖为底物的MFC相比，此MFC输出电量有所上升，并获得了5.7mW/m2的最大输出功率密度。异位利用方式则是将微藻光生物反应器与MFC进行耦联，藻液由光生物反应器中培养后再通入MFC阳极室进行利用。Strik等9将一进行微藻培养的光生物反应器与MFC进行耦联产电，可持续产电100d，获得最大电流密度539mA/m2，最大功率密度110mW/m2；但该系统库伦效率仅为2.8%，分析原因可能是微藻有机体复杂，不及小分子有机底物更易利用。最近Rosenbaum等10提出将蓝藻在光生物反应器中固定化培养，产生易于降解的代谢产物后再通入耦联的MFC阳极室中供产电微生物利用，此方式可以提高MFC的库伦效率。1.3.2 微藻生物阳极型MFC 微藻生物阳极型MFC是在阳极室中利用微藻直接产电，或是协同产电微生物共同产电。现有研究报道证明11,12,13微藻可以通过自身光合电子传递链或分解胞内碳水化合物(例如糖原)直接产生电子，也可以间接提供电子。间接提供电子方式又包括两种：一是微藻光合产氢，氢气再被氧化产生电子；二是利用藻菌协同培养，微藻光合生长分泌可被细菌利用的有机物，细菌再利用有机物产生电子。1.3.2.1 微藻直接产电方式1980-1990年间，Tanaka课题组报道了一系列利用MFC阳极室培养蓝藻并产电的研究11,12,13，第一次证实微藻在光照培养时能产生电流，并且光响应迅速。于是推测电子不仅仅只能来自呼吸电子传递链或通过H2氧化产生，还可以通过光合电子传递链产生13。研究还观察到：当在阳极室进行微藻光暗间歇培养时，暗培养阶段的输出功率有所增加，藻细胞胞内碳储存(糖原)被氧化分解；而在光培养阶段，藻体光合作用释放氧气限制了功率输出，胞内碳储存增加11,14。以上研究均在阳极室添加了电子介体HNQ(2-羟基-1,4-萘醌)，但近年来有报道指出蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803存在纳米导线，这表明了微藻直接电子传递的可能性15。Zou等16利用一单室MFC接种含藻淡水，在未添加有机底物、缓冲盐、电子介体的条件下，仅依靠光合作用产生了0.95mW/m2(聚苯胺修饰阳极电极时)和1.3mW/m2(聚吡咯修饰阳极电极时)的功率密度。何辉等17考察了小球藻(Chlorella vulgaris)阳极产电的性能，在无电子介体的条件下输出功率密度可达11.82mW/m2，对实际污水的COD去除率为40%；分析电子的产生由两部分组成，一是小球藻光解水产生，二是细胞代谢光合作用产生的碳水化合物，由细胞膜外累积的细胞色素失去电子给阳极，阳极反应式如下：光合作用： (1)光解水： (2) 代谢作用： (3)1.3.2.2 微藻产氢产电方式生物制氢是当今生物质能源利用中的一大研究热点。早在1939年，Gaffron等18就首次发现绿藻的产氢现象，现在已知能产氢的藻类主要为绿藻和蓝藻。目前微藻产氢的最大障碍之一是氢气的反馈抑制作用，而利用MFC的电化学催化作用及时将微藻产生的H2转化成电能以降低H2分压，减少反馈抑制作用，可以提高最终的H2回收率。此MFC中H2/H+(电极催化H2氧化产生H+和电子)承担了电子介体的作用，将微生物细胞代谢产生的电子传递给阳极电极，1964年Berk等6对这一过程进行过验证。微藻产氢产电方式也可分为原位和异位两种。原位产氢产电是直接在阳极室中培养微藻进行产氢，利用电极催化氧化H2产电；异位产氢产电则是将微藻光合产氢反应器与MFC装置串联，各反应室条件进行独立控制。Rosenbaum等10用Chlamydomonas reinhardtii(莱茵衣藻)在原位产氢产电MFC装置中提高了H2的回收率，与传统的体积法收集相比增加了100%；最大电流为9 mA时对应的H2回收速率为7.6 mL/L·h(以培养室体积计)。总体而言目前将微藻产氢与MFC产电过程相耦合的研究报道还比较少。微藻生物阳极产氢产电MFC的工业化瓶颈之一在于贵金属催化电极（一般为铂电极）的使用，此种电极成本高且不稳定易中毒失活。近来已有研究表明利用高分子传导材料可以保护铂催化剂的活性19，而更便宜的非贵金属催化剂碳化钨则被认为更有发展前景20。1.3.2.3 藻菌协同产电方式藻菌协同产电是光合自养的微藻与异养产电的微生物一起在MFC阳极室中光照培养，微藻光合作用产生的有机物(例如分泌的多糖)供给异养产电微生物进行氧化分解，MFC通过这种藻菌增效的方式进行产电。藻菌协同产电的现象在自然生境中多见。例如沉积型MFC中就存在藻和细菌形成的生物膜，彼此之间形成增效关系。He等21曾在一个未添加任何有机物或营养物的淡水沉积物MFC中观察到电流的产生；电流强度在光照阶段下降，在黑暗阶段上升，持续的黑暗培养会导致电流下降；分子分类分析法表明此沉积型MFC中靠近阴极的沉积表面层多数为蓝藻和其他型微藻，越往下层异养微生物越占优势，且微生物种类越少。分析结果证明正是微藻等光合自养微生物产生的有机物供给了异养微生物的生长及产电，但光合作用的产物O2也会对异养产电微生物的产电有所抑制。1.3.3 微藻生物阴极型MFC将微藻放置MFC阴极室培养，光合作用产生的O2可以加速阴极室的氧化还原速率；同时可吸收利用MFC阳极室反应释放出的CO2，或对周边环境中的CO2进行捕捉；若选择能源型或经济价值型微藻，还可进行藻体的有价回收，降低MFC成本，可谓一举多得。1964年Berk等6已提出这一构想并进行研究，最近一些科学家也开始进行此项研究。Powell等22,23,24,25以培养小球藻(Chlorella vulgaris)的光反应器作为MFC的阴极室进行了系列研究。首先对小球藻阴极半电池的可行性进行验证：以亚铁氰化钾作为阳极半电池电子供体的条件下构建的小球藻生物阴极型MFC，获得70mv输出电压、2.7mW/m2(以阴极表面积计)功率密度、和1.0A/mg(以干藻重计)电流输出；随后阳极以Saccharomyces cerevisiae(酿酒酵母菌)发酵培养产乙醇，阴极光合培养Chlorella vulgaris的方式构建了一个两极完全微生物燃料电池，获得0.35V开路电压以及0.95mW/m2输出功率密度，分析结果表明相对于阳极酵母菌的快速生长，阴极小球藻的缓慢生长速率是产电的主要限制因素；以上述研究为基础，提出了以某生物乙醇制造厂已有发酵罐作为MFC电池系统的阳极半电池，在其周围建立小球藻光生物反应器阴极半电池的MFC综合系统项目设想，并进行了应用策划和经济可行性分析评估。该MFC综合系统可以同时达到收获电能、生物柴油和CO2捕捉的三重功效，具有可观的经济价值。1.4 微生物燃料电池的应用前景 随着社会与经济的不断发展,能源消费将逐年增加。能源的大量消耗同时也带来了地球气温变暖、酸雨增加等各种问题。为了使人类使用的能源能稳定持久的供应,为了保护地球生态环境,近一段时间以来,新能源的研制开发受到普遍的重视，各国都在加快步伐开发代替现有能源的清洁能源。微生物燃料电池作为一种新能源，其发电技术正引起各国科学家注目并被积极地着手进行优化改善。到目前为止,虽然微生物燃料电池的发电效率仍然比较低，距离大规模工业化应用还有相当的距离26，但随着微生物燃料电池技术在研制和开发应用中取得不断的进展，相信其作为一种清洁、高效而且性能稳定的电源技术，将逐渐走进正式大型工业化应用阶段，使用微生物电池处理污水一方面可以为微生物燃料电池提供一个新的研究方向，另一方面，为处理污水，将无用资源转变为可生产能量的有用资源提供了新的发展方向。而且微生物燃料电池将污水中可降解有机物的化学能直接转化为电能，实现了污水处理的同时产生新资源的新概念发展。在采用污水作为原料的MFC中，通过阳极的微生物修饰，将有效提高电池的输出功率27,28，同时对MFC反应器结构的不断改进优化，从而提高性能降低生产运行成本，也是目前其发展改进的一个大趋势。通过近年来不断地研究，MFC在实际应用的道路上正一步步向前迈进，随着其效能及成本方面的不断突破，MFC作为一种新型清洁能源的前景将不可忽视。1.5 本课题研究内容，目的及意义1.5.1 本课题研究目的及意义研究已经证明，几乎所有的有机废水都可以被用来产电，因此MFC技术可用于一切需要进行有机废水处理的领域，包括市政污水处理厂和产生高浓度废水的工业（例如处理畜牧场或者食品加工厂的废水等），在远离人群的驻地、工作站、潜艇及极端条件下的封闭和半封闭系统中也具有很好的应用前景。能源微藻类生物阴极型MFC在产电的同时，还可实现污染治理、零碳排放、生物能源获取等多种功能，因此具有巨大的经济和环境效益。此MFC技术一旦进入市场化运作，将会对能源和环境问题的解决带来不可估量的作用和社会价值。1.5.2 本课题的主要研究内容本文利用自行创新设计的阴极利于小球藻生长的MFC反应器作为实验模型，首先以正常阴极液对其进行启动运行，待阳极产电菌富集成熟，电池产电稳定以后分别考察了阴极正常运行期、阴极加藻期、阴极换载铂电极期、阴极持续光照期这四个不同周期运行条件下该MFC的产电情况、阴极小球藻的生长情况、阴极溶氧情况及阳极人工废水的COD处理情况，为能源微藻生物阴极型MFC的研究提供基础科学数据。第二章 实验材料与方法2.1实验材料2.1.1主要试剂及仪器2.1.1.1主要试剂表2-1实验主要试剂列表Table2-1 The main reagents used in the experiments试剂名称规格生产厂家盐酸分析纯AR上海化学试剂有限公司氯化钠分析纯AR上海中试化工总公司氯化铵分析纯AR汕头市西陇化工厂磷酸氢二钠化学纯CP汕头市西陇化工厂氢氧化钠分析纯AR汕头市西陇化工厂磷酸二氢钠分析纯AR汕头市西陇化工厂氯化钾分析纯AR上海凌峰化学试剂有限公司葡萄糖分析纯AR汕头市西陇化工厂B12生物试剂BR上海市国药集团化学试剂有限公司VH生化试剂BR上海惠兴生化试剂有限公司烟酸化学纯CP上海惠兴生化试剂有限公司VB5生化试剂BR上海惠兴生化试剂有限公司VB6生化试剂BR上海惠兴生化试剂有限公司B2生化试剂BR上海惠兴生化试剂有限公司VB1生化试剂BR上海惠兴生化试剂有限公司CaCl2·2H2O分析纯AR汕头市西陇化工有限公司NaCl分析纯AR汕头西陇化工股份有限公司NaNO3分析纯AR汕头市西陇化工厂有限公司磷酸氢二钾分析纯AR上海凌峰化学试剂有限公司硫酸镁分析纯AR汕头市西陇化工厂有限公司柠檬酸分析纯AR汕头市西陇化工厂有限公司乙二胺四乙酸二钠分析纯AR国药集团化学试剂有限公司Na2CO3分析纯AR上海凌峰化学试剂有限公司2.1.1.2主要仪器表2-2实验主要仪器列表Table2-2 The main instruments used in the experiments名称生产厂家电热恒温鼓风干燥器（DHG-9010-2SA型）上海三发科学仪器有限公司手提式不锈钢压力蒸汽灭菌器（SYQ-DSX-280A型）上海申安医疗器械厂医用冷藏冷冻箱（YCD-EL259型）中科美菱低温科技有限责任公司数据采集-函数记录仪（HPXY-8B型）南京贺普科技有限公司旋转式电阻箱（ZX21型）上海精密仪器有限公司COD快速测定仪（5B-3C型）兰州连华环保科技发展有限公司台式冷冻恒温振荡器（THZ-C-1型）太仓市实验设备厂分析天平（AUY-120型）岛津国际贸易(上海)有限公司Eppendorf Research移液器 Y188814R/Y187998P/YY188809R上海艾本德生物技术国际贸易有限公司数控超声波清洗器南京垒君达超声电子设备有限公司单人净化工作台苏州净化设备有限公司循环水式真空器（SHZ-三型）南京科尔仪器设备有限公司BT1002J 蠕动泵保定兰格恒流泵有限公司紫外分光光度计上海美谱达仪器设备有限公司溶解氧测定仪上海精科有限公司2.1.2实验装置实验所用装置如图1所示，采用阳极室UASB（上流式厌氧污泥床）结构与阴极室管状光生物反应器结构的池型结构相结合，电池主要由阳极室1、阳极电极2、质子交换膜3、阴极室4、阴极电极5、负载6、导线7七部分组成，阳极室装液量为500ml，阴极室装液量为300ml。图2-1 小球藻生物阴极型微生物燃料电池体系示意图Figure 2-1 Chlorella Bio cathode microbial fuel cell system schematic2.2实验方法2.2.1 MFC的接种及启动运行实验以长期运行MFC阳极出水及阳极碳毡上附着的生物膜为MFC阳极菌种来源，阳极出水接种量为200mL。阳极室供给的底物为葡萄糖人工废水，其组成为：表2-1 阳极培养液Table2-1 The anodic medium 成分加入量维生素母液12.5ml/L矿物质母液12.5ml/L葡萄糖1g/LNH4Cl0.31g/LKCl0.13g/LNa2HPO44. 576g/LNaH2PO42.452g/L其中维生素母液和矿物质母液组分分别如下表：表2-2 维生素母液Table2-2 The vitamins liquid 维生素母液成分浓度（g/L）B120.01VH0.2叶酸0.2烟酸0.5对氨基苯甲酸0.5VB50.5VB61B20.5VB10.5硫辛酸0.5泛酸0.5表2-3 矿物质母液Table2-3 The minerals liquid 矿物质母液成分浓度（g/L）AlK（SO4）·12H2O0.01CaCl2·2H2O0.1CoCl2·6H2O0.1CuSO4·5H2O0.01FeSO4·7H2O0.1H3BO30.01MgSO43MnSO4·2H2O0.5Na2MoO4·2H2O0.025Na2Wo4·2H2O0.025NaCl1阴极液为磷酸缓冲液，其具体组成如下表：表2-4 阴极缓冲液Table2-4 The cathodic buffer 成分加入量KCl0.13g/LNa2HPO44. 576g/LNaH2PO42.452g/L阴阳极液配置好后均调至pH=7。MFC的启动通过定期更换阳极液来完成，当MFC产电降至50mV左右视作一个周期结束，然后更换阳极液再运行一周期，持续更换阳极液后待某一周期MFC产电稳定视为启动结束，MFC可进行各因素实验。2.2.2 MFC运行条件MFC阴阳极电极均为碳毡，阳极（9cm*5.5cm），阴极（20.5cm*5cm），电极间距约9cm，质子交换膜为Nafion117（7cm2），室温（20±5）下运行，电池负载1000欧，阳极液初始COD=1000mg/L。小球藻生物阴极型MFC培养条件（除实验因素外）统一光强2000lux，光暗间歇（12:12），阴极液配方在普通MFC阴极液的基础上添加BG11培养基成分，其具体组成如下表：表2-5 BG11培养基成分表Table2-5 The BG11 mediumBG11培养基成分浓度NaNO32g/LCaCl2·2H2O10mLK2HPO4·3H2O0.1柠檬酸10mL乙二胺四乙酸二钠10mLMgSO4·7H2O10mLNa2CO310mL微量金属元素母液1mL维生素0.5mL/L2.2.3 测定指标及方法（1）、电压和电流实验过程中，微生物燃料电池的电压由南京贺普HPXY-8B数据自动采集系统自动记录存储。电流由I=U/R计算而得。（2）、功率密度 功率密度P为基于阳极面积的功率，单位（mW/m2)按公式计算：P=UI/A(A为阳极有效面积）。（3）、废水处理效率 在废水处理领域，废水处理效率是衡量一种废水处理工艺或技术的一项最重要的指标。MFC应用于废水处理，因此MFC对废水的处理效果同样是衡量MFC性能的重要参数。以化学需氧量COD为例，所谓去除率，用公式表示为:E=（CODinCODout）/CODin式中：CODin一反应开始时阳极液的COD，mg/L; CODout一反应终止时阳极液的COD，mg/L。（4）、其他指标的分析方法 化学需氧量COD采用兰州连华COD速测仪测定。 pH值通过上海盛磁pH计测定。 小球藻藻液OD值通过上海美谱达仪器有限公司的紫外分光光度计测定溶氧值由上海雷磁溶解氧测定仪测定2.2.4 实验材料处理方法（1）.阴阳极电极材料的处理：将电极材料分别于HCl（1mol/L）中浸泡24h以去除杂质离子，使用后再用NaOH（1mol/L）浸泡24h去除表面吸附的细菌，以便重复使用。（2）Nafion117质子交换膜的处理：使用前在0.3%H2O2中煮一小时，然后依次在蒸馏水、0.5mol/LH2SO4、蒸馏水中煮沸一小时后，保存于蒸馏水中备用。2.2.5实验内容（1）MFC启动期：本实验以新设计的阴极利于小球藻生长的MFC反应器为考察对象，首先以阴极不添加小球藻的普通阴极液启动运行MFC，使得该MFC阳极产电菌在阳极电极上富集成熟，待电池产电稳定视作启动结束；（2）MFC正常运行期：MFC启动后，以普通阴极液正常运行一个周期，考察电池的产电情况、阴极溶氧情况及阳极人工废水的处理情况；（3）MFC阴极加藻期：待上一个周期电压降至50mV左右，更换阳极液，阴极添加小球藻，初始接种OD=0.39，阴极液在普通阴极液的基础上添加BG11培养基成分，PH调至7，考察电池的产电情况、阴极藻液的生长及溶氧情况、阳极人工废水的处理情况；（4）MFC阴极换载铂电极期：待上一周期电压下降，更换阳极液，更换阴极藻液（初始OD=0.532）,阴极电极更换为载铂碳纸（20cm*3cm，载铂量0.6mg/cm²，单面载铂），考察电池的产电情况、阴极藻液的生长及溶氧情况、阳极人工废水的处理情况；（5）MFC阴极持续光照期：待上一周期产电水平开始下降后，更换阳极液，更换阴极藻液（初始OD=0.589），将阴极藻的间歇光暗培养改为持续光照，考察电池的产电情况、阴极藻液的生长及溶氧情况、阳极人工废水的处理情况；第三章 结果与讨论3.1 各周期输出电压的情况如图3-1所示为各周期MFC的产电情况，当MFC阴极正常运行期时，输出电压在14h后达到90mv，之后电压继续上升至最大输出电压100mv，然后电池平均产电水平维持在90mv左右，持续时间约244h左右，接着电池产电水平缓慢下降，在平均电压为80mv左右维持了149h左右后，电压开始持续下降至50mv左右；MFC阴极投加小球藻后，电压出现明显的“光升暗降”的规律波动，即小球藻光照阶段电压上升，暗培养阶段电压下降，分析原因为，在光照阶段小球藻进行光合作用释放氧气，加快了阴极的氧还原速率，因此产电水平得以提高，而在暗培养阶段，小球藻因为呼吸作用需要消耗大量的氧气，因此阴极液中溶氧水平下降，电池产电被抑制，导致电压下降。电池在光阶段的平均电压为146.4mv，最大输出电压为186.6mv，分别为阴极正常运行期时的1.6倍和1.9倍，暗阶段最小输出电压则为2.5mv；阴极换载铂电极后，电池输出电压于4h迅速升到447.7mv，之后重复上一周期的“光升暗降”现象，光阶段平均输出电压为460mv，最大输出电压为475.7mv，分别为上一周期的3.1倍和2.5倍，较上周期有了大幅度的升高，说明阴极更换载铂电极以后能更有效的催化氧还原反应，提高电池产电能力；当将阴极小球藻光暗间歇培养变为持续光照培养时，电压由初始的472.2mv迅速于17h降至142.1mv，然后又在2h后迅速上升至463.8mv，分析原因为阴极小球藻由光暗间歇培养变为持续光照培养后暂时不能适应，导致细胞生长代谢异常，溶氧降低，因此电压降低，在很短的时间内，藻细胞经过调节适应了新的培养条件后，细胞生长代谢趋于正常，溶氧水平升高，电压升高，最大输出电压为483.1mv，较上一周期相差不大，此后电压持续缓慢下降，分析原因为阳极底物的消耗及持续光照条件下小球藻生长代谢导致的阴极液PH变化使得产电水平缓慢降低。图3-1 各周期输出电压的情况Figure3-1 The cycle of the output voltages 3.2 各周期阴极藻的生长情况如图3-2所示，阴极加藻期和阴极换载铂电极期小球藻的生长均表现出先下降后上升的趋势，分析原因为阴极刚加入小球藻时，阴极电极碳毡或载铂碳纸会对小球藻有所吸附，因此导致初期溶液中的小球藻数量有所降低，随着反应的进行，阴极电极上小球藻的吸附达到饱和，同时溶液中的小球藻亦开始生长，所以后期小球藻OD值开始上升。而阴极持续光照期时，因为载铂电极没有重新更换，电极小球藻吸附已达饱和，所以溶液中小球藻的OD值直接上升，而因为持续光照的原因，阴极小球藻很快便进入了衰亡期，OD值下降。实验说明，将小球藻放至MFC的阴极室进行培养，并不会对其造成毒害，小球藻生长情况良好。图3-2 各周期阴极藻的生长情况Figure 3-2 Cathode of the algae growth cycle3.3 各周期阳极人工废水的COD处理情况如表3-1所示，MFC阴极正常运行期时的内阻最大，最