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微生物电合成系统还原二氧化碳产甲烷的性能研究

鲍白翎  
【摘要】:随着全球化石燃料的急剧消耗,产生了大量的温室气体二氧化碳,其控制和减排问题受到世界各国的高度关注。近年来,利用微生物电化学技术(microbial bioelectrochemical technology,MET)还原二氧化碳制备高附加值产品已成为二氧化碳资源化利用的有效手段。本文构建了双室微生物电合成系统(Microbial electrosynthesis system,MES),采用碳毡作为电极材料,以处理淀粉废水的厌氧活性污泥作为接种菌源富集阴极功能微生物,系统地研究了环境温度、外加电势、电子媒介体蒽醌-2,6-磺酸钠(AQDS)等因素对MES阴极还原CO_2产甲烷的影响,并解析了阴极生物膜的微生物群落结构。主要结论如下:1、当温度从15 ℃升高到50 ℃,甲烷的产量和生成速率持续增大,当温度继续升高至65 ℃和70 ℃时,甲烷产量和生成速率逐渐减小。随着温度的升高,电流也是逐渐增大的。阴极产甲烷的库伦效率范围在19.15±2.31%~73.94±2.18%之间,主要的副产物有氢气和挥发性脂肪酸(Volatile fatty acids,VFAs)等。研究表明利用MES还原CO_2产甲烷的最适宜温度为35 ℃~50 ℃。2、当MES的阴极电势从-0.70 V降低到-0.90 V vs Ag/AgCl时,甲烷的产量和速率都在升高,电流也是逐渐增大的。继续降低外加电势至-1.0 V,该系统几乎不产甲烷,同时有大量的氢气产生。产甲烷的库伦效率范围在49%~90%之间,检测到的副产物包含了氢气和VFAs。研究表明MES还原CO_2产甲烷的外加电势必须控制在一定的范围内。3、在生物厌氧降解的过程中引入电子媒介物,它会在生物酶的作用下有较高的活性和一定的稳定性,能降低电子供体与受体之间的传递障碍,加速电子传递速率。选择在MES培养液中加入电子媒介AQDS,在一定的外加电势和温度条件下启动反应器,发现其对电化学还原CO_2产甲烷的过程有一定的促进作用。4、通过扫描电镜(SEM)分析观察生物膜表面,发现有多种微生物吸附在碳毡上,其形状主要呈杆状和球状。通过对生物膜的16S rRNA基因测序,发现产甲烷的优势菌是Methanobacterium。分析表明温度和外加电势影响功能微生物种群的结构并对其生长和代谢途径有一定的影响。


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