微生物燃料电池—人工湿地系统处理污水效果及产电性能

【摘要】：针对目前我国水资源严重短缺，城镇污水处理率不高等问题，本文提出微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）—人工湿地（Constructed wetland，CW）系统，在处理生活污水的同时将污水中化学能以电能的形式回收，实现污水处理及资源化。 MFC-CW系统阳极区填充3种粒径的活性炭颗粒，阴极采用生物阴极。研究5个水力停留时间下MFC-CW系统的污水处理效果及产电性能，优化出MFC-CW系统处理生活污水效果最好的2个水力停留时间（HRT）。在优化出的2个HRT下以相同条件运行MFC-CW系统和CW系统，考察生物产电对CW系统处理生活污水的促进效果。在HRT为12h下对MFC-CW系统和CW系统不同基质层出水进行树脂分级实验，研究出水中溶解性有机污染物（DOM）中不同组分的分布情况及在系统中的迁移转化规律。 考察5个HRT下MFC-CW系统处理生活污水效果及产电性能，结果表明：随着HRT的延长，系统对污水中COD和NH4+-N的去除率呈现先升高后降低的趋势，SS去除效率逐渐增加。当HRT为12h时，系统对COD和NH4+-N的去除效果最好，分别达到89.2%和36.0%，SS为93.2%。系统内阻随HRT的延长呈现逐渐增大的趋势，当HRT为6h时，系统稳定输出电压为0.68V，系统获得最小内阻为46.2和最大功率密度为1.30W/m3。当HRT为48h时，获得最大库伦效率为7.96%。系统阴极停止曝气后12h时，阴极区溶解氧由7.3mg/L降低到2.0mg/L，对应系统输出电压下降0.002V，当停止曝气时间达到24h时，输出电压降低0.009V。 MFC-CW系统和CW系统在2个HRT下的实验结果表明：MFC-CW系统不同基质层出水的PH值均略小于CW系统，水力停留时间越长（48h）两系统出水的PH值越小。HRT为12h时，MFC-CW系统出水COD去除率达到83.1%，CW系统为74.6%，生物产电作用有助于CW系统对污水中COD的降解。HRT为12h时MFC-CW系统对TN去除率达到16.6%，HRT为48h时去除率达到8.3%。TN主要来自于NH4+-N，HRT为48h时，MFC-CW系统各层基质对NH4+-N的去除率分别为4.5%、3.4%和2.0%。 对系统不同基质层出水DOM进行树脂分级实验结果表明：随着基质层的加深两个系统对DOC的去除效果均有提高。生物产电作用可以促进CW系统对HPI、HPO-A和HPO-N的降解；而HPO-N和TPI-N可以被完全降解；MFC-CW系统和CW系统对TPI-A的去除效果较差几乎没有。MFC-CW系统上层基质对UV-254的去除效果（74.2%）已优于CW系统下层处理效果（69.9%）。进一步分析表明，生物产电作用主要促进CW系统对亲水性（HPI）蛋白质的降解，而CW系统对TPI-A组分表征的蛋白质的降解效果优于MFC-CW系统。MFC-CW系统较CW系统对多糖的去除效果好。MFC-CW系统不仅对细胞代谢产物有较好的处理效果而且对CW系统不能降解的富里酸类荧光物质也具有去除作用，而腐殖酸类荧光物质在MFC-CW系统不同基质层中呈现逐渐积累的趋势。 【关键词】：微生物燃料电池—人工湿地系统（MFC-CW） 污水处理 产电性能 溶解性有机污染物
【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】：2014
【分类号】：X703;TM911.45
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 水污染现状及问题11-12
• 1.1.1 污染现状11
• 1.1.2 污水处理面临的问题11-12
• 1.2 人工湿地的发展现状12-16
• 1.2.1 历史发展12-13
• 1.2.2 基本类型13-14
• 1.2.3 人工湿地的特点14-16
• 1.3 微生物燃料电池（MFC）16-18
• 1.3.1 MFC 的发展17
• 1.3.2 原理17
• 1.3.3 MFC 的优缺点17-18
• 1.4 MFC-CW 现状18
• 1.5 污水中有机物的研究现状18-19
• 1.6 课题研究的目的、意义和内容19-22
• 1.6.1 课题的研究目的和意义19-20
• 1.6.2 课题研究内容20
• 1.6.3 技术路线20-22
• 第2章 实验材料与方法22-29
• 2.1 引言22
• 2.2 实验原料22
• 2.3 实验装置与运行方式22-24
• 2.3.1 MFC-CW 系统22-23
• 2.3.2 CW 系统23
• 2.3.3 MFC-CW 系统及 CW 系统的运行方式23-24
• 2.3.4 实验用仪器设备名称24
• 2.4 电化学分析方法24-26
• 2.4.1 电流密度和功率密度24-25
• 2.4.2 极化曲线及功率密度曲线25
• 2.4.3 内阻25
• 2.4.4 库伦效率25-26
• 2.5 分析与计算方法26-29
• 2.5.1 常规分析测试方法26-27
• 2.5.2 COD 去除率27
• 2.5.3 XAD 树脂分级实验27-28
• 2.5.4 蛋白质的测定28
• 2.5.5 多糖的测定28-29
• 第3章 MFC-CW 系统的启动及不同 HRT 下污水处理效果及产电性能29-38
• 3.1 引言29
• 3.2 MFC-CW 系统的启动和运行29
• 3.3 MFC-CW 系统对污水处理效能29-32
• 3.3.1 MFC-CW 系统对 COD 的去除29-31
• 3.3.2 MFC-CW 系统对 SS 的去除31
• 3.3.3 MFC-CW 系统对 NH_4~+-N 的去除31-32
• 3.4 不同水力负荷下污水处理效果32-34
• 3.4.1 COD 的去除32-33
• 3.4.2 SS 的去除33
• 3.4.3 NH_4~+-N 的去除33-34
• 3.5 MFC-CW 系统的产电性能34-37
• 3.5.1 电压输出34-35
• 3.5.2 极化曲线及功率密度曲线35-36
• 3.5.3 库伦效率36
• 3.5.4 阴极溶解氧浓度对输出电压的影响36-37
• 3.6 本章小结37-38
• 第4章 不同 HRT 下 MFC-CW 系统与 CW 系统的对比38-47
• 4.1 引言38
• 4.2 MFC-CW 系统及 CW 系统在不同 HRT 下对污水处理效能38-45
• 4.2.1 PH 值38-39
• 4.2.2 氧化还原电位（ORP）39-40
• 4.2.3 COD 的去除效果40-41
• 4.2.4 TN 的去除效果41-42
• 4.2.5 NH_4~+-N 去除效果42-43
• 4.2.6 NO_3~--N 和 NO_2~--N 的去除效果43-44
• 4.2.7 TP 的去除效果44-45
• 4.3 MFC-CW 产电性能评价45-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第5章 MFC-CW 系统与 CW 系统对污水中溶解性有机物的去除效能对比47-64
• 5.1 引言47
• 5.2 MFC-CW 系统与 CW 系统处理污水中 DOM 结果分析47-54
• 5.2.1 DOC 的去除47-49
• 5.2.2 UV-254 的去除49-50
• 5.2.3 SUVA 的变化50-51
• 5.2.4 溶解性蛋白质的变化51-53
• 5.2.5 多糖的变化53-54
• 5.3 MFC-CW 系统与 CW 系统处理污水后有机物组分光谱分析54-62
• 5.3.1 三维荧光光谱分析54-61
• 5.3.2 紫外-可见光谱分析61-62
• 5.4 本章小结62-64
• 结论64-65
• 参考文献65-71
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果71-73
• 致谢73

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