随着畜牧养殖业的高度集约化发展,大量畜禽废物的堆积和排放引起了一系列的土壤污染、水污染等环境问题。为了解决生牛养殖带来的牛粪污染问题,当前已经开发了各类肥料化、饲料化、能源化的畜禽粪便处理技术。但经过肥料化处理的牛粪仍含有病原微生物、抗生素等有害成分;而饲料化处理工艺一次性投资大、能耗高,易造成环境二次污染。相比而言,牛粪的能源化是未来的主要发展方向,目前能源化产物主要是沼气,但该类技术受气温影响较大,运行稳定性欠佳。近年来,一种新型能源化技术—微生物燃料电池,兴起且得到广泛关注。该技术可以直接利用微生物氧化有机物获取电能,阳极材料是影响其产电性能的主要原因。目前,碳化废弃物阳极因其优异的生物兼容能力及廉价特性,受到越来越多关注。鉴于此,本研究以牛粪为原料,通过高温碳化制备阳极材料,并将其应用于微生物燃料电池反应装置中以获取电能,实现牛粪的无害化和资源化。同时基于电极修饰改性和阳极电势调控优化等方法,考察牛粪阳极稳定产电的可行性。论文的主要内容和结论如下:(1)考察了不同碳化温度(400,600,800和1000℃)对牛粪(CD)电极制备的影响,其中CD800比表面积最大(62.70m2 g-1),与未碳化CD相比,比表面积(0.36 m2 g-1)提高了 173倍。碳化温度高于600℃制备的电极材料作为阳极,产电启动时间仅需10小时,且电流均在启动50小时内达到稳定,性能远优于市售石墨板电极;其中CD800输出电流密度最高,达到11.74±0.41 A m-2。(2)在牛粪原料中掺入部分比例的碳酸氢钠、面粉,再碳化制备的多孔特性的改性复合生物阳极,最大电流密度高达22 A m-2,是CD800的1.9倍;在CD800表面通过添加碳微粒、聚苯胺和中性红涂层等方式进行阳极表面修饰优化,碳微粒和聚苯胺修饰后阳极电流密度分别提升了 1.27倍和1.25倍,而中性红表面修饰对CD800电极产电性能的提高作用不显著。结果表明掺混复合改性优化的CD800电极对于MFC产电性能的提升作用优于表面涂层改性优化的CD800电极。(3)考察了不同阳极电势调控对CD800电极的产电性能和表面功能微生物群落结构的影响。在-0.45 V电势调控下,反应器较难启动。随着调控电势从-0.29 V增加至0.31 V时,CD800电极的最大电流密度也随之提高,提高幅度与产电优势微生物Geobacter的增加比例基本一致,表明在这个电势范围内,电势越正则越有利于产电微生物的富集。但当调控电势增加至0.61 V时,CD800电极的产电性能未能进一步提高。在-0.45V～0.61V的电势范围调控下,CD800电极表面主要微生物在属水平上有22种,其中产电微生物土杆菌属(Geobacter)始终为优势菌群,含量在37%～72%;石墨电极表面主要微生物在属水平上有31种,Geobacter含量为18～74%。结果表明电势调控可以控制微生物在电极上的生长,对产电微生物Geobacter的群落丰度影响较大。