1、隨著全世界范圍內(nèi)的能源緊缺和環(huán)境污染問題的加劇，研發(fā)新的環(huán)境友好處理工藝從有機(jī)廢水中回收有價能源已經(jīng)成為環(huán)境工程領(lǐng)域一個重要的方向，是實(shí)現(xiàn)廢水處理能源化與可持續(xù)性發(fā)展的重要途徑之一。微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFC）能夠利用微生物作為催化劑將有機(jī)化合物氧化分解，同時產(chǎn)生電流，將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，是一種全新的廢水處理技術(shù)。目前，MFC在全世界范圍內(nèi)的研究尚處于起步階段，大量的工作集中在技術(shù)的可行

2、性和基礎(chǔ)研究的水平上，而限制該技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)化和工程應(yīng)用的主要問題是產(chǎn)電功率密度低，材料造價昂貴，MFC型式的不確定。
　　針對 MFC研究目前存在的問題，本文以典型的雙室 MFC和單室 MFC為研究對象，系統(tǒng)研究了 MFC的基本特性、陽極底物溶液性質(zhì)的影響、陰極強(qiáng)化、空氣陰極 MFC結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及相關(guān)機(jī)制。論文取得了一些創(chuàng)新性的研究成果。
　　使用厭氧污泥能夠成功啟動雙室MFC和單室MFC，在間歇運(yùn)行方式下，使用乙酸鈉作為單

3、一的有機(jī)底物能夠獲得穩(wěn)定的電壓輸出和COD去除。最大功率密度的順序?yàn)椋篕3[Fe(CN)6]陰極MFC>空氣陰極MFC>曝氣陰極MFC。K3[Fe(CN)6]陰極MFC、曝氣陰極MFC和空氣陰極MFC的庫侖效率CE與COD去除率分別為49％、28.2%、33.8%和60%、45.3%、80%。控制雙室MFC性能的關(guān)鍵因素是陽極特性，而控制單室MFC性能的關(guān)鍵因素是空氣陰極的催化反應(yīng)動力學(xué)和氧傳質(zhì)特性。導(dǎo)致K3[Fe(CN)6]陰極MFC

4、和空氣陰極MFC庫侖損失的主要原因分別是厭氧菌與產(chǎn)電菌爭奪有機(jī)底物和氧氣的陰極擴(kuò)散。這些結(jié)果表明，MFC能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)電和同步有機(jī)廢水處理；此外，在對MFC反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計和運(yùn)行優(yōu)化時要充分考慮到不同形式MFC功率密度和庫倫效率的主要限制因素不同。
　　單糖、多糖以及一些常見的小分子有機(jī)揮發(fā)酸鹽和醇類物質(zhì)均可作為MFC產(chǎn)電的有機(jī)底物，功率密度隨有機(jī)底物濃度的變化具有“飽和效應(yīng)”，可以用經(jīng)典的Monod方程式進(jìn)行描述和非線性回歸分析。底物

5、濃度較高時，攪拌的影響不明顯；底物濃度較低時，攪拌的影響十分顯著。在雙室MFC中，陽極電解液具有良好的緩沖能力能夠維持pH處在一個穩(wěn)定的水平，是保證MFC穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。適當(dāng)?shù)靥岣唠x子強(qiáng)度能夠降低MFC的內(nèi)阻，提高電流密度和功率密度。無論對于雙室MFC還是單室MFC，高濃度的NH3-N對MFC產(chǎn)電都沒有影響。單室MFC中的NH3-N轉(zhuǎn)化與好氧氨氧化有關(guān)，與產(chǎn)電無關(guān)。雙室MFC中陽極的一部分NH3-N在產(chǎn)電過程中以NH4+的形式擴(kuò)散進(jìn)

6、入陰極，以維持電荷平衡。這些結(jié)果都表明，在對MFC進(jìn)行基礎(chǔ)研究和運(yùn)行優(yōu)化時，要充分考慮到有機(jī)物、水力條件及電解液緩沖能力對系統(tǒng)的影響和限制作用。
　　通過對比研究發(fā)現(xiàn)，在雙室MFC中，酸性KMnO4陰極MFC的開路電位能夠達(dá)到1.48 V，最大功率密度遠(yuǎn)高于K3[Fe(CN)6]和氧氣。在使用酸性KMnO4陰極時，陰極的電極電位主要受控于KMnO4濃度和pH，但對pH更加敏感。在[KMnO4]=20 mg·L-1和pH=3.5的條

7、件下，環(huán)式MFC的最大功率密度能夠達(dá)到3986.72 mW·m-2。SEM和XPS分析表明，KMnO4的主要還原產(chǎn)物是沉積在電極表面的固相MnO2，這是KMnO4陰極MFC具有高電位的主要原因。對于單室空氣陰極MFC來說，陰極的性能是影響功率輸出的重要因素。縮短電極距離、增大陰極的面積都能夠降低電池內(nèi)阻?？諝怅帢O的Pt負(fù)載量對功率輸出的影響與Nafion溶液的使用密切相關(guān)。這些結(jié)果都充分表明，提高陰極的電化學(xué)氧化性能是強(qiáng)化MFC功率輸出

8、的重要途徑。
　　開發(fā)了更適于廢水處理的升流式空氣陰極MFC（UAMFC）。隨著有機(jī)負(fù)荷率的增加，功率密度先升高再降低；COD去除率、CE、EE和pH均呈現(xiàn)出下降的趨勢。電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析表明，電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻Rc、歐姆內(nèi)阻Rohm和擴(kuò)散內(nèi)阻Rd分別占總內(nèi)阻的22.6%、50.2%和26.3%，歐姆內(nèi)阻占主導(dǎo)作用，主要由UAMFC的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定。高有機(jī)負(fù)荷下，回流比影響不顯著；低有機(jī)負(fù)荷下，提高回流比能顯著提高功率密度。氮的去