● 摘要
微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFCs)可以在处理有机废水解决环境问题的同时获得电能，但生物体系缓慢的电子传递速率是其发展的瓶颈。由于低强度超声波可以促进微生物活性、提高生物反应速度，因此本论文研究利用低强度超声波辐照MFCs以提高其产电效能，以探索提高MFCs产电能力的方法，具有重要理论和实际意义。 本研究建立了低强度超声波强化MFCs产电系统，设计了超声波参数优选实验和长期超声比较实验，通过实验发现最适宜的超声作用时间为10min，最优的理论超声时间间隔为5.2h。长期间歇低强度超声波辐照对提高MFCs的产电能力有明显的效果，在反应后期最大功率密度达到185.6mW/m2，比对照反应器提高了6%，一个进水周期的总产电量提高46.5%。通过长期对比实验确定了低强度超声波对MFCs的影响为长期作用。研究了当超声波单独作用于反应器内悬浮污泥上时超声波对MFCs产电的影响。发现利用超声波单独强化悬浮污泥时MFCs产电略有降低，超声反应器一周期产电量从比对照反应器高4.0%降到比其低9.2%，没有像对整体反应器进行超声辐照处理一样起到改善产电效能的作用。为确定适当的超声波作用位置和悬浮污泥在MFCs产电中所起的作用，采用葡萄糖、醋酸盐以及实际粪水三种基质，通过对比实验，研究了有悬浮污泥和没有悬浮污泥两种情况下MFCs的产电特性。发现利用葡萄糖和醋酸盐作为营养基质的MFCs中，没有悬浮污泥时的处理效果较好，但是对于较复杂的有机物悬浮污泥对调节微生物适宜的产电环境有较大帮助，但是对微生物产电及电子向电极传递没有明显贡献，因此超声波应尽量作用于电极表面。研究了MFCs内阻变化，发现长期运行的MFCs反应器电极存在一定老化现象，使用超声直接作用于反应器能够提高电极上微生物活性降低电池内阻，但是超声波对电极的使用寿命有一定影响，所以使用超声直接作用于反应器作为强化手段时应谨慎。关键词：微生物燃料电池，超声波，葡萄糖，功率密度