电化学辅助微生物厌氧系统产甲烷性能研究

【摘要】：电化学辅助微生物厌氧系统( Electrochemical Microbial Anaerobic System,EMAS)是在微生物燃料电池(Microbial Fuel cells,MFCs)的基础上改进的一种产能装置,它在微生物燃料电池的阴极去除氧气的同时再外电路加一个电源(0.2V),从而克服热力学障碍,实现质子和电子在阴极生成气体的过程。 本论文采用碳布阳极,以含10% Pt催化剂的防水处理的碳布为阴极,设计了单室方型空气阴极微生物燃料电池。以市政管网中的生活污水为菌源,以1g/L的乙酸钠为唯一碳源,在1000Ω外电阻下启动(30℃)微生物燃料电池。待MFC反应器启动完成后,将阴极更换为碳纤维刷进行并密封反应器,施以一定的外加电压进行产甲烷实验。本论文考察了EMAS反应器的运行参数及条件(外加电压、曝氮气、阳极材料、底物)对产甲烷性能的影响,并将EMAS反应器与微生物厌氧系统(Microbial Anaerobic System,MAS)反应器从几个方面进行了对比。 外加电压为-0.7V时,反应器的最大电流为3.25mA,甲烷产率可达260.0mmol/(m~2·d),电子捕获效率为92.1%。而在-0.6V及-0.5V的外加电压条件下,电子捕获效率分别为93.2%及93.0%,但是甲烷产率相对-0.7V条件下低了约55mmol/(m~2·d),最高电流为1.63mA和1.46mA,仅是-0.7V时最大电流的50.2%和44.9%。进水不曝氮气时,甲烷产率为164.8mmoL/(m~2·d),最大电流降为2.91mA,电子捕获效率为89.60%,电流曲线的下降点比进水曝氮气的情况下提前了20h左右。碳纤维布为阳极材料时,一个周期内的最大电流值为3.07mA,比以普通碳布为阳极时的3.25mA下降了0.18mA ,反应器的电子捕获效率从92.1%降为了41.2%。甲烷产率为359.2mmol/(m~2·d),比以普通碳布为阳极时提高了将近100mmol/(m~2·d)。以20mL/L的乙醇为底物时,最大电流为2.05mA,电流值从22h就开始下降,甲烷产率为255.3mmol/(m~2·d),电子捕获效率为61.2%。以垃圾渗滤液为底物,最大电流可以达到4.08mA,甲烷产率为126.4mmol/(m~2·d)。 微生物厌氧系统的产甲烷产率为84.5mmol/(m~2·d),大约是EMAS的1/3。EMAS产甲烷反应器的COD去除率为94.8%,MAS反应器的COD去除率为78.1%,COD去除率比EMAS产甲烷反应器低了16.7%。MAS反应器产生的气体中甲烷含量可达92.3%,而EMAS所产生的气体中甲烷含量最高达81.4%。MAS反应器在平均运行了28d后才有稳定的甲烷产量,而EMAS比MAS提前10d完成启动过程。另外,在污泥产量、低温产甲烷方面,EMAS也比MAS有优势。 【关键词】：电化学辅助微生物厌氧系统 微生物厌氧系统 生物质能 甲烷产率 电子捕获效率
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-28
• 1.1 课题背景11-15
• 1.1.1 国内外能源现状11-13
• 1.1.2 生物质能源利用现状13-15
• 1.2 电化学辅助微生物厌氧系统原理概述15-16
• 1.3 课题的目的及意义16-19
• 1.4 国外研究现状及应用分析19-26
• 1.4.1 产甲烷反应研究现状19-20
• 1.4.2 国内外在MEC 方向的研究现状20-23
• 1.4.3 MEC 与MFC 系统的差异23
• 1.4.4 电化学辅助微生物厌氧系统的应用23-25
• 1.4.5 电化学辅助微生物厌氧系统面临的挑战25-26
• 1.5 课题来源及研究内容26-28
• 1.5.1 课题来源26
• 1.5.2 研究内容26-28
• 第2章 实验的材料与方法28-39
• 2.1 实验材料与仪器28-30
• 2.1.1 实验材料28-29
• 2.1.2 实验仪器29-30
• 2.2 反应器的构建30-31
• 2.2.1 空气阴极MFC 反应器的构建30
• 2.2.2 EMAS 反应器的构建30-31
• 2.3 反应器各参数的监测方法31-36
• 2.3.1 挥发性有机酸的测定方法31-32
• 2.3.2 COD 的测定方法32
• 2.3.3 反应器电压值的采集与储存32-33
• 2.3.4 极化曲线的测定原理与方法33-34
• 2.3.5 功率密度曲线的测定原理与方法34-35
• 2.3.6 反应器电流值的实时监控与采集35-36
• 2.4 分析与计算36-39
• 2.4.1 内阻的测算36
• 2.4.2 功率密度的计算36
• 2.4.3 库仑效率的计算36-37
• 2.4.4 气体的成分及含量分析37-38
• 2.4.5 甲烷产率的计算38-39
• 第3章 产电菌的培养及性能分析39-47
• 3.1 空气阴极MFC 反应器的启动39-42
• 3.1.1 阴极LSV 测定39-40
• 3.1.2 阳极材料的选择及预处理40-41
• 3.1.3 空气阴极MFC 的启动41-42
• 3.2 空气阴极MFC 反应器的性能分析42-46
• 3.2.1 空气阴极MFC 的电压输出42-43
• 3.2.2 空气阴极MFC 的极化曲线43-45
• 3.2.3 空气阴极MFC 的库仑效率45-46
• 3.3 本章小结46-47
• 第4章 EMAS 产甲烷实验条件及参数的优化47-58
• 4.1 EMAS 产甲烷反应器的启动47-49
• 4.2 外加电压对体系产甲烷性能的影响49-51
• 4.3 曝氮气对体系产甲烷性能的影响51-52
• 4.4 阳极材料对体系产甲烷性能的影响52-53
• 4.5 底物对体系产甲烷性能的影响53-56
• 4.5.1 乙酸钠为底物时的产甲烷情况54
• 4.5.2 乙醇为底物时的产甲烷情况54-55
• 4.5.3 垃圾渗滤液为底物时的产甲烷情况55-56
• 4.6 本章小结56-58
• 第5章 MAS 与EMAS 的对比研究58-64
• 5.1 MAS 反应器的启动58-59
• 5.2 MAS 与EMAS 的对比研究59-62
• 5.2.1 甲烷产率59-60
• 5.2.2 COD 去除率60
• 5.2.3 气体纯度60
• 5.2.4 反应器的启动时间60
• 5.2.5 污泥产量60-61
• 5.2.6 低环境温度产甲烷情况61-62
• 5.3 本章小结62-64
• 结论64-66
• 参考文献66-71
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果71-74
• 致谢74-75

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