A strategy for power generation from bilgewater using a photosynthetic microalgal fuel cell(MAFC)  

利用光合微藻燃料電池從艙底水中發電的策略  

來源：Journal of Power Sources, Volume 484, 2021, Article Number 229222

《電源雜志》第484卷，2021，文章編號229222  

 

摘要內容：  

研究首次利用從含油廢水中分離的新型微藻菌株（Chlorella sorokiniana）構建單室（SMAFC）和雙室（DMAFC）微藻燃料電池處理合成艙底水（含0.1%標準艙底混合物和100 ppm SDS）。關鍵發現包括：  

1. 氧控制策略：通過添加乙酸（調節乙酸鹽/氯離子比=500）或光暗循環（16小時暗/8小時光）實現陽極厭氧環境，單室系統（SMAFC）在光暗循環下獲得最高電壓160.1±2.9 mV和功率密度83.4±2.1 mW/m2（圖1b-d）。  

 

2. 電子傳遞機制：缺氧條件下碳酸氫鹽（HCO??）可能作為替代電子受體驅動發電（反應式：HCO?? + 4e? + 5H? → CH?O + 2H?O）。  

3. 構型對比：雙室系統（DMAFC）因陰極室獨立供氧，功率密度較單室提高23.9%（表4）。  

 

4. 污染物去除：SMAFC和DMAFC對可溶性COD（SCOD）去除率達67.2-77.4%，氮磷去除率>98%（圖1e，表4）。  

 

研究目的：  

1. 驗證微藻作為陽極活性生物質（而非底物）處理含油廢水并發電的可行性；  

2. 探究缺氧條件下替代電子受體（如HCO??）的作用機制；  

3. 優化單室與雙室微藻燃料電池的構型及氧控制策略。  

 

研究思路：  

1. 材料制備：  

   ? 合成艙底水：0.1%標準艙底混合物（SBM）+100 ppm SDS（表1）；  

 

   ? 微藻培養：從含油廢水中分離Chlorella sorokiniana，經18S rRNA測序確認（表2）。  

 

2. 反應器設計：  

   ? SMAFC：500 mL單室反應器，碳刷陽極（31.6 cm2），鐵陰極（8 cm2）包覆鉑絲；  

 

   ? DMAFC：雙室反應器，質子交換膜（Nafion 117）分隔陰陽極室。  

 

3. 氧控制策略：  

   ? 乙酸添加：10 mM乙酸抑制PSII產氧（圖1a）；  

 

   ? 光暗循環：16小時暗/8小時光周期實現周期性厭氧。  

 

4. 性能監測：  

   ? 電化學：電壓、功率密度、庫侖效率；  

 

   ? 污染物：SCOD、氮磷濃度（Hach試劑盒）；  

 

   ? 溶解氧：Unisense OX10微電極實時監測。  

 

測量數據及其研究意義：  

1. 功率密度與電壓（圖1b-d，表4）  

   ? 數據：SMAFC在光暗循環下達最高功率密度83.4±2.1 mW/m2（電壓160.1 mV），DMAFC在相同條件下達109.7±3.7 mW/m2。  

 

   ? 意義：證實光暗循環優化氧控制，雙室構型因獨立供氧提升性能23.9%。  

 

2. 溶解氧動態（圖1a）  

   ? 數據：添加乙酸后3小時內DO從8.9 mg/L降至0，維持4天厭氧；光暗循環下DO在暗期2小時內歸零。  

 

   ? 意義：揭示乙酸競爭性抑制PSII產氧，為維持陽極厭氧環境提供關鍵參數。  

 

3. 污染物去除（圖1e，表4）  

   ? 數據：SMAFC和DMAFC的SCOD去除率67.9-77.4%，氮磷去除率>98%，生物量增至432.5 mg/L。  

 

   ? 意義：證明微藻同步降解含油廢水有機物與營養鹽，兼具污染治理與資源回收潛力。  

 

4. 生物膜形貌（圖2）  

   ? 數據：SEM顯示C. sorokiniana在陽極形成致密生物膜（圖2a-b），陰極附著較少（圖2d-e）。  

 

   ? 意義：生物膜空間分布解釋陽極主導電子傳遞，陰極生物量低利于氧擴散。  

 

結論：  

1. 微藻作為活性生物質可行：C. sorokiniana在陽極直接降解含油有機物并產電，單室系統功率密度達83.4 mW/m2，突破傳統微藻僅作底物或陰極供氧體的局限。  

2. 氧控制策略核心性：光暗循環（16小時暗/8小時光）最優，平衡厭氧需求與微藻光合活性；乙酸添加雖有效但需持續碳源補充。  

3. 雙室系統性能優勢：獨立陰極室提升氧還原效率，功率密度提高23.9%，但質子交換膜成本（$77-2860/m2）限制應用。  

4. 替代電子受體機制：缺氧條件下HCO??可能作為電子受體驅動發電，需進一步驗證其代謝路徑。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

使用Unisense OX10微電極實時監測溶解氧（DO）：  

1. 精準定位氧動態：電極尖端（10 μm）置于陰極0.5 cm處，捕捉到乙酸添加后DO 3小時內歸零（圖1a），直接驗證PSII抑制理論（Cl?位點被乙酸競爭占據）。  

2. 關聯電化學性能：DO趨零時電壓升至160.1 mV（圖1b），揭示厭氧環境是高效產電前提，為優化光暗周期提供依據。  

3. 空間分辨率優勢：微尺度監測克服傳統DO探頭無法區分陰陽極微環境的局限，證實陰極區DO波動（>12 mg/L）對雙室系統性能提升的貢獻（表4）。  

4. 技術普適性：原位校準策略確保長期實驗數據可靠性，適用于復雜廢水體系生物電化學研究。