Фигура 15. Циклични волт-амперни характеристики на МГК-и интегрирани в анаеробните камери 4.2 Анализ на работата на седиментни микробни горивни клетки

При използването на седимент като субстрат (вариант 1) напрежението при отворена верига през последните две седмици от експеримента бе в интервала 390 – 410 mV.

От получените резултати може да бъде направен извода, че с повишаване на количеството на торфа (варианти 3, 4 и 5) напрежението при отворена верига намалява, което най-вероятно се дължи на по-високата йонна сила на разтвора. Най-лоши резултати показва седиментна клетка Вариант 5, запълнена със субстрат торф, при която напрежението спадна под 200 mV в края на експеримента

След стабилизиране на електрохимичните параметри, бяха свалени поляризационни криви на петте варианта. На фигура 17 е направено сравнение съответно на напрежението и плътността на мощността на седиментните горивни клетки.

При всички варианти рН на водата в повърхностната зона е в диапазона 6.44 – 6.7. По-окислителни условия (Eh в интервала 310 – 349 mV) са установени във вариантите с висши растения, което е свързано с по-интензивни процеси на фотосинтеза. Данните за перманганатна окисляемост показват, че при тези варианти концентрацията на разтворени органични вещества е по-ниска от варианта с водорасли и контролата. Най-високи стойности на този параметър са установени във водите на вариант 4 – водорасли, вероятно вследствие на отделени от тези организми органични съединения. В сравнение с контролата концентрациите на всички биогенни елементи са по-ниски, което се дължи на асимилацията им от вегетиращите растителни видове и алги.

Данни за измерени електрически параметри на представени на фигура 18. Максимални стойности на напрежение и плътност на мощността са установени във вариант 2 - двуредна острица (Carex disticha). Напрежението при отворена верига при този вариант е 791 mV. Максимална плътност на мощността - 9,2 mW/m² е установена при приложено напрежение 600 Ω.

Най-ниска максимална стойност на плътността на мощността – 0,8 mW/m² е установена в контролата, при която няма вегетация на фотосинтезиращи организми.

Подобни изводи са направени и от цикличните волт-амперни характеристики на петте варианта растителни седиментни клетки представени на фигура 19.



Фигура 19. Сравнение на циклични волт-амперни характеристики на петте варианта РСМГК
Получените резултати от цикличните Волт-Амперни характеристики на седиментните микробни горивни клетки допълнително потвърждават заключението, че от петте варианта СМГК, най-ефективна е Вариант 2 – Двуредна острица (Carex disticha). От фигура 19 се установява че, амплитудите на потенциалите при другите четири варианта са по-ниски, същото се установява и за площите на получените хистерезиси. От анализа на CVA-диаграмите може да се направи извода, че най-лоши електрохимични характеристики се установяват при Вариант 5 – контрола.
4.2.3 Влияние на йонната сила на разтвора в растителните седиментни горивни клетки върху тяхната ефективност
Пет дни след добавянето на биогенните елементи са измерени химичните параметри в повърхностната зона и са получени съответните поляризационни криви.
Таблица 19. Основни химични параметри след добавяне на биогенни елементи – етап І

От таблица 19 се вижда, че при всички варианти, по време на Етап I, се наблюдава повишаване на рН, което се дължи главно на внесените соли и протичане на микробни процеси като денитрификация и сулфат-редукция в анаеробните зони. Поради факта, че при добавянето на гореспоменатите соли стана хомогенизиране на разтвора, органичните вещества се разпределиха равномерно в цялата дълбочина на клетката, което доведе до измерване на по-високи стойности перманганатна окисляемост в повърхностната зона (62 – 89 mg/l). Наличието на по-високи концентрации органика в тази зона благоприятстват бързото развитие на аеробни микроорганизми, което доведе до установяване на по-ниски стойности на Eh. От таблицата се вижда, че протича също така и интензивна асимилация на добавените биогенни елементи от растенията, водораслите и микроорганизмите, населяващи седиментните клетки.

Данни за измерените електрически параметри на представени на фигурa 20. При този експеримент отново са установени максимални стойности на напрежение и плътност на мощността са във вариант 2 - двуредна острица (Carex disticha). Напрежението при отворена верига при този вариант е 710 mV. Максимална плътност на мощността - 6,4 mW/m² е установена при приложено напрежение 1000 Ω. Сравнително близки са измерените електрически параметри в седиментна клетка – вариант 2. На трето място по ефективност бе клетката с папур, а най-ниско напрежение и плътност на мощността бяха установени в контролата.

След второто добавяне на биогенни елементи (Фигури 21) най-високо напрежение на отворена верига 663 mV отново бе установено във вариант 2.

От получените резултати се установи, че с увеличаване на концентрацията на формите на азота и фосфора в средата, водещи до увеличаване на проводимостта на средата, ефективността на седиментната клетка намалява.

Основните изводи от направените експерименти са следните:

- Вида на вегетиращата растителност оказва силно влияние върху поведението на седиментните горивни клетки;

- Значително влияние оказва също така и формираната растителна биомаса;

- Проводимостта на почвения слой между анодната и катодната област на растителната седиментна клетка оказва силно влияние върху нейната ефективност;

Също така може да се предположи, че влияние върху генерираната енергия оказват и микробните процеси, протичащи както в аеробната повърхностна зона, така и в анаеробната зона на седиментните клетки.
4.2.4 Влияние на различни микробни процеси в анодната област върху ефективността на растителна седиментна микробна горивна клетка
Важно е да се отбележи, че освен видовия състав на растителността, активността на микроорганизмите в анодната област, както и процесите, които осъществяват са от съществено значение за мощността на клетката.

Всеки един от процесите е протичал в продължение на седем денонощия, след което са определяни основни електрическите параметри на горивния елемент, измененията във физичните и химичните показатели на анолита и числеността на основни физиологични групи микроорганизми. За контрола при сравнение на електрическите параметри на РСМГК е използван вариант, при който анодната зона е запълнена с вода.

В таблици 21, 22 и 23 са представени данни за различните изследвани параметри в анолита на РСМГК в началото и края на всеки един микробен процес.
Таблица 21. Изменение на рН, окислително-редукционния потенциал и електропроводимостта на анолита при протичане на изследваните микробни процеси

Понижаване на рН на разтвора в анодната област на РСМГК се установява само при протичането на ферментация на глюкозата вследствие продуцирането на разнообразни органични киселини. При осъществяването на денитрификация, сулфат-редукция и фери-редукция рН на анолита се повишава поради консумацията на протони или генериране на бикарбонатни йони в изследваните микробни процеси с различни крайни акцептори на електрони. По-редукционни условия (Eh в интервала -136 – -225 mV) след седем денонощия са установени при условия, в които са благоприятствани процесите сулфат редукция и фери редукция, което е свързано с разликите в окислително-редукционния потенциал на съответните редокс двойки. Електропроводимостта при всички процеси, намалява във времето, поради трансформиране и/или асимилиране на разтворените йони.

От представените в таблица 22 данни се вижда, че концентрацията на биогенните елементи в анолита (N, P и S) е по-висока от тази в подадените начални разтвори. Това се дължи на освобождаване на хранителни вещества главно от торфа, използван като компонент на субстрата в РСМГК. Част от амониевите йони постъпват в анолита и вследствие амонификацията на пептона, включен в състава на всички изследвани разтвори. Концентрацията на всички биогенни елементи намалява във времето, което се дължи на използването им като крайни акцептори на електрони в анаеробните микробни процеси, както и на тяхната асимилация от микрофлората, обитаваща анодната област. При създадените условия с най-висока средна скорост протича микробната сулфат-редукция - 138.3 mg/l.d. Средната скорост на денитрификацията бе 131.8 mg/l.d, а на фери-редукцията 12.1 mg/l.d.