双室无介体型微生物燃料电池在BOD传感器中的研究初探

【摘要】：有机污染是水体污染的一个主要方面,生化需氧量(BOD)是表征水体有机污染的重要指标之一。准确快速的测定水体BOD是环境监测领域的一个难题,现有的BOD一些检测方法虽然有时能够完成BOD的快速检测,但普遍具有测量所需时间太长、测量范围小、重现性差等缺陷,而应用双室无介体型微生物燃料电池能达到快速准确检测水体BOD的目标,并且还具有响应时间短、测量范围大、稳定性强等优势。 本文设计了一套双室无介体型微生物燃料电池(MFC)系统,燃料电池的阴阳电极均由厚度为3 mm、孔隙率为7%的石墨毡制成,阴阳极室之间用Nafion117高强度质子交换膜隔开,极室上下两端接有通气口和燃料进入口。初始接种微生物均来自于小红门污水处理厂消化池的厌氧污泥,接种量为10 ml。反应器启动阶段,采用间歇流方式对污泥进行驯化,加入的燃料是BOD为500 mg/L的营养溶液,后期驯化,只加入BOD为200 mg/L的葡萄糖溶液。系统经过430 h的驯化过程之后,产生了30μA左右的稳定电流,出峰时间稳定于1 h,响应时间约为20 h。 本文研究了外接电阻大小和温度条件对于MFC整体性能的影响、缓冲液种类和浓度和pH值对于阳极室的影响以及通气速度和不同氧化电位氧化剂作为电子接受体对于阴极室的影响。结果表明外接电阻为10Ω、温度为30℃、pH=7、缓冲液浓度为0.1 mol/L、通气速率为100ml/min、以氧气作为阴极电子接受体,为系统最佳运行条件。 将本文所设计的MFC系统应用于实验室配制废水的BOD检测,确定了MFC系统的BOD的测量范围为0～200 mg/L,当BOD50 mg/L时,可以根据MFC系统产生的最大电流值确定BOD大小；当50 mg/LBOD200 mg/L时,可以根据MFC系统产生的总电荷量确定BOD大小。本文还说明了MFC系统内电化学活性细菌的种类和数量、MFC稳定运行时间的长短,MFC的设计和使用材料的种类对于MFC系统产电情况可能产生的影响,指出了发现更多高效电化学活性微生物、设计更加高效的MFC将会成为未来将MFC应用于BOD检测研究的重要内容。