微生物燃料电池法处理难降解污染物及其产电性能的研究

论文摘要

微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）能够在有效地处理有机废水的同时实现产能,因此,MFC的应用能大大促进新能源的利用。针对有毒、难降解有机废水的治理,本研究采用双室微生物燃料电池的反应器形式,以城市污水处理厂浓缩池的厌氧污泥为接种微生物,在外电阻为1900Ω下,分别以对硝基苯酚、2,4-二氯苯酚、对硝基苯胺为燃料电池的阳极电子供体,研究了一个产电周期内微生物燃料电池的产电能力、难降解有机物的降解情况以及阳极室中微生物的生长情况,寻找微生物燃料电池降解有机物的最优条件。实验利用自配有机溶液为有机质,成功的启动双室MFC。为了考察本实验中的设备装置性能,在微生物燃料电池启动成功后,采用500mg/L葡萄糖为微生物燃料电池的有机质,该MFC的最大功率密度达到8.037mW/m2,电池内阻为1900Ω。当以不同难降解有机质为燃料的实验结果表明,MFC能够利用对硝基苯酚、2,4-二氯苯酚和对硝基苯胺为燃料；分别以对硝基苯酚、2,4-二氯苯酚和对硝基苯胺为单一基质时,MFC的产电周期较长,分别达到142、240、140小时左右,当上述有机物进水浓度均为100mg/L时,MFC最大输出电压值分别为139.2、385.5、262.9mV,库仑效率分别为0.671、4.74、1.178%,MFC阳极室中微生物降解有机物的能力为2,4-二氯苯酚<对硝基苯胺<对硝基苯酚；在难降解、毒性强的有机溶液中加入适量的葡萄糖、乙酸钠等易降解的有机物不仅可以提高难降解有机物降解效果,也可以提高MFC的产电能力,葡萄糖大的最佳投入浓度为500mg/L,且在降解有机物和产电能力上乙酸钠的促进作用比葡萄糖更大；当以多种难降解有机物为MFC的基质时,如DCP-PNP为混合基质时,PNP有助于MFC电压的输出和DCP的降解,MFC运行周期长达243小时,且最大输出电压为401.1mV,有机物DCP和PNP的去除率分别为64.52%和94.47%,可见,不同有机物的组合也可以提高MFC的性能；MFC经过一个产电周期后,阳极室中的微生物数量都会大大的增加,说明MFC中微生物利用苯胺类、硝基酚类等物质为进行了增殖；以驯化/筛选后的微生物为接种微生物,对硝基苯胺的降解率从43.92%提高到54.75%,MFC的最大输出电压从262.9mV提高到407.4mV。可见,以通过驯化／筛选燃料池中的优势细菌为接种微生物可以提高MFC的产电性能和有机物的降解率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 能源问题
• 1.1.2 能源对环境的影响
• 1.1.3 新能源的利用
• 1.2 有机废水的处理和资源化
• 1.2.1 有机废水概况
• 1.2.2 有机废水常见处理方法
• 1.2.3 我国污水处理现状
• 1.3 微生物燃料电池的应用
• 1.3.1 微生物燃料电池的定义和工作原理
• 1.3.2 微生物燃料电池的发展历史
• 1.3.3 微生物燃料电池的分类
• 1.3.4 微生物燃料电池的构件及材料
• 1.3.5 微生物燃料电池产电性能的影响因素
• 1.3.6 微生物燃料电池在有机废水中的利用概况
• 1.3.7 微生物燃料电池的发展前景和研究方向
• 1.4 本课题的研究内容、目的和意义
• 1.4.1 本课题的研究目的及意义
• 1.4.2 本课题的主要研究内容
• 第2章 微生物燃料电池的构造及性能
• 2.1 材料和方法
• 2.1.1 双室微生物燃料电池
• 2.1.2 接种微生物和实验用水
• 2.1.3 微生物燃料电池的接种和运行
• 2.2 测试和计算方法
• 2.2.1 分析方法
• 2.2.2 微生物燃料电池性能评价指标
• 2.3 双室微生物燃料电池的性能
• 第3章 以对硝基苯酚为基质的微生物燃料电池产电特性
• 3.1 对硝基苯酚概述
• 3.2 结果和分析
• 3.2.1 以不同浓度的PNP为基质的MFC运行结果
• 3.2.2 以PNP-葡萄糖为混合基质的MFC运行结果
• 3.2.3 以不同有机物为基质的MFC运行结果
• 3.2.4 以对硝基苯酚为基质的MFC中微生物生长情况
• 3.3 结果讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 以2,4-二氯苯酚为基质的微生物燃料电池产电特性
• 4.1 2,4-二氯苯酚概述
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 以不同浓度的DCP为单一基质的的MFC运行结果
• 4.2.2 以DCP-葡萄糖为混合基质的MFC运行结果
• 4.2.3 以DCP-PNP为混合基质的MFC运行结果
• 4.2.4 以2,4-二氯苯酚为基质的MFC中微生物生长情况
• 4.3 结果讨论
• 4.3.1 MFC的产电特性
• 4.3.2 有机物的降解情况
• 4.4 本章小结
• 第5章 以对硝基苯胺为基质的微生物燃料电池产电特性
• 5.1 对硝基苯胺概述
• 5.2 结果和分析
• 5.2.1 以不同浓度的PNA为基质的MFC运行结果
• 5.2.2 以PNA-乙酸钠为混合基质的MFC的运行结果
• 5.2.3 以筛选培养微生物为接种微生物,PNA为基质的MFC运行结果
• 5.2.4 以对硝基苯胺为基质的MFC中微生物生长情况
• 5.3 结果讨论
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 实验创新
• 展望
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文
• 附录B 厌氧菌的分离培养法
• 致谢