新型滴滤式生物阴极微生物燃料电池的同步污水处理及产能研究

【摘要】：人口、资源与环境是困扰当今世界各国可持续发展的三大难题。微生物燃料电池(microbial fuel cell，简称MFC)，利用微生物作为催化剂，将污水中的有机物以化学能方式直接转化为电能，是一种集污水净化和产电为一体的创新性污水处理技术。其研究，可望为化解世界能源危机提供一种全新的能源，为水环境污染治理提供一项高效低耗的污水处理技术。 首次将滴滤原理引入微生物燃料电池的阴极，设计了一种新型滴滤式生物阴极微生物燃料电池。通过在阳极室和阴极室分别接种污水处理厂二沉池厌氧污泥和曝气池好氧污泥，进水水质采用人工配水，运行方式采用间歇式，实现了滴滤式生物阴极MFC的启动和稳定产电，证明了生物阴极采用滴滤方式充氧的可行性，达到了阴极能自然充氧而无需额外机械曝气的节能研究目标。在间歇式运行滴滤MFC的溶解氧和循环流量研究的基础上，系统考察了连续式运行滴滤MFC：分析其产电及污水处理的效率受不同停留时间的影响；比较了采用活性炭和碳毡两种不同电极材料的差异；分析了长期运行后的分隔膜污染情况；利用16S rRNA测序鉴定出滴滤生物阴极的微生物群落结构和优势菌株；实现了滴滤MFC直接利用连续式实际生活污水产电，达到了低能耗处理连续实际生活污水并回收电能的目标。研究结果表明： （1）间歇式滴滤生物阴极MFC靠自然充氧可以实现启动和稳定产电，其阴极的自然充氧效果良好，阴极出水DO保持在3.6mg/L以上，最佳阴极循环流量为120mL/min，总内阻为7.7，功率密度可达91.2W/m3； （2）在阳极串联阴极的连续式运行条件下，滴滤MFC的最大功率密度为118.1W/m3，最小内阻为7.9。停留时间是影响连续式滴滤MFC污水净化和产能的重要因素，在最佳停留时间15h下，最大功率密度为87.4W/m3，COD去除率高达90.6%，出水COD=57.0mg/L，氨氮1mg/L，可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的国家一级B标准； （3）滴滤式生物阴极的微生物群落主要由4大类组成，其中，优势菌类为γ-proteobacteria，占一半以上的优势菌株为Acinetobacter calcoaceticus； （4）滴滤MFC可以直接处理连续实际生活污水。尽管其功率输出低于自配水，最大功率密度为28.6W/m3，总内阻为25.1，但是能够有效去除有机物，COD去除率为86%，氨氮去除率为92%。 【关键词】：微生物燃料电池 生物阴极 滴滤 产电 污水处理
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 主要符号对照表9-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 研究背景及意义10
• 1.2 微生物燃料电池简介10-14
• 1.2.1 微生物燃料电池原理10-11
• 1.2.2 微生物燃料电池的类别11-14
• 1.3 生物阴极型微生物燃料电池的研究进展14-18
• 1.3.1 好氧生物阴极型 MFC15-17
• 1.3.2 厌氧生物阴极型 MFC17-18
• 1.4 微生物燃料电池曝气方法与滴滤技术18-19
• 1.5 研究目的与内容19-20
• 1.5.1 研究目的19
• 1.5.2 研究内容19-20
• 第二章 基于单独循环的滴滤式 MFC 装置的启动与分析20-30
• 2.1 材料与方法20-24
• 2.1.1 MFC 试验装置20-21
• 2.1.2 MFC 的微生物接种与运行21-23
• 2.1.3 测试和计算方法23-24
• 2.2 结果与讨论24-29
• 2.2.1 滴滤式 MFC 的启动和运行24-25
• 2.2.2 阴极充氧效果25-27
• 2.2.3 阴极循环流速对滴滤式 MFC 产电性能的影响27-28
• 2.2.4 滴滤式 MFC 的污水净化能力28-29
• 2.3 小结29-30
• 第三章 滴滤式 MFC 装置的串联运行30-39
• 3.1 材料与方法30-33
• 3.1.1 材料与运行方式30-31
• 3.1.2 常规指标的测试和计算方法31
• 3.1.3 膜阻力的测定方法31-32
• 3.1.4 扫描电子显微镜 SEM 分析32
• 3.1.5 生物量的测定方法32-33
• 3.2 结果与讨论33-38
• 3.2.1 不同停留时间对 MFC 产电和去污能力影响33-35
• 3.2.2 膜分隔物的长期稳定性35-37
• 3.2.3 膜污染情况分析37-38
• 3.3 小结38-39
• 第四章 滴滤式 MFC 阴极微生物群落解析39-48
• 4.1 材料与方法39-44
• 4.1.1 材料39-40
• 4.1.2 方法40-44
• 4.2 结果与讨论44-47
• 4.2.1 生物阴极细菌 DNA 提取与 16S RNA 转化子抽样鉴定44
• 4.2.2 生物阴极生物群落测序与分析44-47
• 4.3 小结47-48
• 第五章 不同电极材料的滴滤式 MFC 研究48-53
• 5.1 材料与方法48
• 5.2 结果与讨论48-51
• 5.2.1 电极材料对滴滤 MFC 产电的影响48
• 5.2.2 电极材料对滴滤 MFC 产电的影响48-51
• 5.3 小结51-53
• 第六章 滴滤式生物阴极 MFC 用于连续流实际生活污水净化及产能的研究53-58
• 6.1 材料与方法53-54
• 6.1.1 实际污水的来源与取样53
• 6.1.2 实验装置53
• 6.1.3 实验方案53-54
• 6.2 结果与讨论54-57
• 6.2.1 连续式滴滤 MFC 利用不同比例的实际生活污水的产电分析54-57
• 6.3 小结57-58
• 第七章 结论与展望58-60
• 7.1 结论58-59
• 7.2 展望59-60
• 参考文献60-65
• 致谢65-66
• 附录66
• 攻读硕士学位期间论文发表情况66
• 研究成果66

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