无膜生物阴极微生物燃料电池处理生活污水 的研究

论文摘要

随着全球经济的高速发展,在全世界范围内,社会发展与资源环境的矛盾日趋尖锐,能源危机和环境污染已成为制约人类生存和发展的两大重要难题。研发新的废水处理工艺从有机废水中回收有价能源已经成为环境工程领域的一个重要研究方向,是实现废水处理能源化与可持续发展的重要途径之一。微生物燃料电池(Microbe fuel cell,MFC)技术是一项兼顾从有机物中回收电能和废水处理的可持续性技术。该技术发展至今,就目前存在的各种形式MFC而言,由于产电过程需要贵重金属催化、加载阴阳极隔离膜、产电量偏小、MFC反应器结构不适合实际污水处理等多方面原因,导致该项技术成本过高并与实际应用仍有一段距离。针对MFC的现有问题,在考虑有效能源回收、成本降低、实际应用为目标的基础上,设计研究了更加适用于有机废水处理的无膜生物阴极MFC反应器构型,并分析了反应器的产电特性及污染负荷去处能力。主要开展了三部分的研究,分别为:挡板式MFC和无挡板式MFC产电性能及污染物去除能力研究、无挡板式MFC产电性能及污水净化效果条件优化、无挡板式MFC与A/O工艺处理实际生活污水的差异,论文取得了以下研究成果:使用厌氧污泥能够成功启动两种反应器,但与挡板式MFC相比,无挡板式MFC能在较短的时间内启动(150h)。在运行稳定后,外电阻Rex=500?时,挡板式MFC和无挡板式MFC反应器电压峰值分别为0.21V和0.42V。通过极化曲线测定可知,无挡板式MFC与挡板式MFC的内阻分别为79.4Ω和178.6Ω,最大功率密度分别为8.4W/m3、0.83W/m3,库仑效率分别为9.4%和6.3%。表明,由于挡板式反应器加长了阴阳极电极之间的距离,增大了电池内阻,虽然防止了阴极氧的扩散,但同时也增大了有机物转化为甲烷的比例,从而导致挡板式反应器功率密度、库仑效率偏低。挡板式和无挡板式反应器COD去除率分别为93.2%和90.7%,表明两种MFC都能够实现产电与有机物的同步降解。利用生活污水进行了无挡板式MFC产电性能及污水净化条件优化试验。研究结果表明,MFC的功率密度随有机底物浓度的变化具有饱和效应,在一定范围内电池的平均功率密度随有机底物浓度的增高而增高,在COD为120mg/L时功率密度增长到达平台期。通过减小水力停留时间,从而提高单位时间内的有机物绝对供给量,可以提高电池的输出功率,但当水力停留时间低于12h,出水水质无法达标。阴极溶解氧量的提高对增高电池功率输出和有机物去处是有利的,但当曝气量达到300mL/min时,电池电压为0.43V达到峰值,继续增加曝气量,电池电压则开始出现下降趋势。废水的缓冲能力对电池的功率输出有重要影响,但对污染物去除影响不明显。无挡板式MFC与传统A/O工艺连续处理实际生活污水对比实验表明,无挡板式MFC在水力停留时间为12h,30分钟间隔曝气(300mL/min)条件下,连续流处理生活污水,最大电压达0.42V(Rex=500Ω),最大功率密度为7.6W/m3,内阻为71Ω,出水浊度也较A/O法更低。最大COD去除率可达92.4%、氨氮去除率94.6%,而A/O的最大COD去除率和氨氮去除率为82.1%和67.7%。无挡板式MFC实际上可以看成是废水处理中A/O工艺反应器在结构和功能上的改型,更适合废水处理的实际应用,具有重要的应用推广价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 能源危机与环境污染
• 1.1.1 能源需求与全球气候变化
• 1.1.2 水环境污染
• 1.2 微生物燃料电池技术
• 1.2.1 历史与发展
• 1.2.2 工作原理与基本结构
• 1.2.3 反应器结构优化研究进展
• 1.2.4 生物阴极微生物燃料电池研究进展
• 1.2.5 微生物燃料电池在废水处理中的应用研究进展
• 1.3 课题来源及研究目的和意义
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究目的和意义
• 1.4 课题研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 反应器的设计与启动
• 2.1.1 反应器的设计
• 2.1.2 反应器的接种与启动
• 2.2 MFC的性能评价及计算方法
• 2.2.1 功率密度
• 2.2.2 库伦效率
• 2.2.3 COD去除率
• 2.3 测试与分析方法
• 2.3.1 电压在线采集系统
• 2.3.2 化学分析
• 2.4 MFC的电位化学分析理论
• 2.4.1 电位和过电位
• 2.4.2 极化现象与功率密度曲线
• 第3章 挡板式与无挡板式MFC基础特性
• 3.1 MFC的接种启动及稳定运行
• 3.1.1 MFC的启动
• 3.1.2 MFC的稳定运行
• 3.2 MFC的功率密度及效率分析
• 3.2.1 功率密度
• 3.2.2 库伦效率及COD去除率
• 3.3 MFC极化特性
• 3.3.1 电池电压极化
• 3.3.2 电极电位极化
• 3.4 MFC库伦损失及机理分析
• 3.4.1 好氧损失
• 3.4.2 厌氧损失
• 3.5 本章小结
• 第4章 无挡板式MFC性能的影响因素
• 4.1 有机底物浓度的影响
• 4.1.1 COD去除率和库伦效率
• 4.1.2 功率密度
• 4.2 水力停留时间的影响
• 4.2.1 功率密度和库伦效率
• 4.2.2 COD去除率
• 4.2.3 氨氮去除率
• 4.3 曝气量的影响
• 4.3.1 电压输出
• 4.3.2 COD去除率
• 4.3.3 氨氮去除率
• 4.4 缓冲能力和离子强度的影响
• 4.4.1 缓冲能力
• 4.4.2 离子强度
• 4.5 本章小结
• 第5章 无挡板式无膜生物阴极MFC处理生活污水
• 5.1 MFC最优参数下稳定运行
• 5.2 MFC和A/O反应器污水处理性能的比较
• 5.2.1 COD去除率和出水浊度
• 5.2.2 氨氮去除率
• 5.3 MFC对污水脱氮过程的影响
• 5.3.1 不同曝气方式下脱氮性能比较
• 5.3.2 氨氮在MFC中的转化和去除机制
• 5.4 MFC用于生活污水处理的讨论
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢