套筒型微生物电解电池制氢技术研究

在微生物燃料电池基础上提出的微生物电解电池（microbial electrolysis cell，MEC）是以微生物为催化剂，在一定外加电能辅助下将有机物转化为氢气的生物制氢装置。利用异化还原微生物G.m构建套筒型MEC产氢装置，进行异化还原微生物G.m生长、底物降解和产氢同步性研究，建立套筒型无膜MEC内两相流动、底物降解和传输、外加电压及产氢特性相耦合的两相混合模型，经过数值求解，得到反应器内底物浓度分布以及产氢速率分布方程。在充分发挥MEC电压效应，获得产氢经济效益的同时，最大限度地揭示MEC的尺寸效应，维持反应器内微生物生长和反应效率的前提下，实现反应器的多级放大。以两相混合模型为指导，构建以有机废水为底物的MEC产氢系统（反应器直径0.5m），得到异化还原微生物G.m降解有机废物产氢的技术和经济指标，为基于MEC降解有机废物产氢技术的实际应用提供理论数据。

微生物电解电池（MEC）是在MFC基础下期一种新装置，在能源、环境领域前景广阔。构建了H-型双室、套筒型、上升流无膜型三种微生物电解电池，建立了产氢动力学模和阳极微生物生长动力学方程，从电极修饰、电极液成分和电池结构优化，阳极微生物菌种及菌群产电性能提升等方面降低电池内阻，促进微生物的代谢，加速电子传递速率。探索该装置在嗜酸菌培养，与有机物共代谢降解氰化物废水、钒废水的方法。.考查了H-型双室、套筒型、上升流无膜型MEC降解底物同步产氢的性能，套筒型MEC产氢速率达到2.33 m3/m3/d (Eap = 1.0 V)，库伦效率达95%；利用多相混合理论，建立产氢动力学模，产氢速率及底物降解效率的预测值与实验数据基本吻合；基于Andrews模型，得到阳极微生物的生长动力学方程，可预测在不同条件下，阳极微生物降解氰化物的最佳初始浓度；聚苯胺修饰的石墨毡电极阳极及阴极、碳纤维/聚吡咯/碳纳米管/蒽醌2,6-二磺酸钠复合电极，及电极液中外加无机盐，可显著缩短MFC的启动时间，提高功率密度和底物降解速率；从深海沉积物中分离菌株Klebsiella sp. MC-1，对硝态氮、五价钒和氰化物的去除效果较好；深海沉积物菌群演替分析表明，氰化物对该菌属具有一定的抑制作用，电极优化有利于泥杆菌Geobacter的生长与繁殖；以秸秆发酵沼液为底物，套筒型MEC的产氢速率、电能效率和总能量效率受外加电压的影响较大，产氢率达到3.09m3·m-3·d-1(Eap = 1.0 V)。无膜MEC随着运行时间的增加，体系底物的浓度逐渐降低，代谢废弃物积累，产气总量下降，且易使嗜氢产甲烷菌的滋生，造成了氢气损失和甲烷生成。.研制直径为380mm、800mm和1000m的放大装置。钒（100 mg/L）和硝态氮（200 mg/L）的去除率99%以上，及氰化物（80mg/L）的去除率99%以上。建立微生物燃料电池培养嗜酸菌的方法，并在中试浸矿试验中运用。.对比了MFC和MEC废水处理能力及能量回收率。为二者在环境治理中的应用提供理论依据。.探索了一种利用微生物电池共代谢降解低浓度冶金废水（含氰废水，钒废水）的方法，通过与易降解有机物为共基质，共代谢氰化物（高价钒）的同时回收电能，实现了低浓度含氰废水（钒废水）短流程、低成本回收利用。