● 摘要
利用微生物燃料电池处理人体排泄物，不但能达到净化水质的目的，还能将废物中的化学能转化成电能。因此，微生物燃料电池技术不但可以成为再生式生命保障系统中水循环利用的重要组成部分，而且可以作为辅助能源，为航天器提供电能。 本研究利用粪水作为微生物燃料电池的燃料，初步论证了粪水作为微生物燃料电池燃料的可行性。研究表明电池在产电的同时对粪水中的污染物也有很好的去除效果，有机物的去除率达到了70%以上，氨氮的去除率也有44%。但是与葡萄糖为燃料相比，粪水作为电池燃料时，电池产电性能较差，最高产电较低且维持的时间很短，每个周期的产电会产生很大的波动，不同周期之间的产电也存在显著差异。 为了改善粪水作为燃料时电池的产电性能，本文采取了产酸发酵的方法对粪水进行预处理。发现经过预处理之后的粪水产电比未经处理的粪水产电有明显优势；电池和产酸发酵预处理的组合运行方式与单独的电池相比，产电明显提高，并且电池体积也减小很多，在一定程度上降低了电池的成本。 为了进一步提高电池产电，本文对影响电池产电的几个因素进行了研究。结果表明：电池的最大功率密度和底物浓度存在饱和型关系，最大功率密度Pmax=164 mW/m2，半饱和常数Ks=259 mg/L；水力停留时间为15.5 h时，电池电压和功率密度分别达到最大值0.413 V和108 mW/m2；电极面积的增加会导致最大输出功率的增加，最大体积功率密度随着单位阳极室体积的电极面积增加而增大，电极距离的增大会增大内阻，降低电池产电；对阴极室曝气可提高电池产电；溶液中SO42-浓度太高会抑制电池产电。 本论文还研究了以尿液为燃料时电池的产电性能。发现以尿液为燃料的质子交换膜型微生物燃料电池产电性能较差。为了提高电池产电，需要长期培养驯化适应高氨氮，可以利用氨氮产电的自养型产电微生物，同时需要研究不含有质子交换膜的微生物燃料电池。