隨著能源危機(jī)的加劇,人們不得不尋找新的清潔能源,此時(shí),CW-MFC應(yīng)運(yùn)而生。CW-MFC在微生物的催化下,將污水中有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,兼顧污水處理和生物發(fā)電的雙重功效。近年來(lái)人們對(duì)其進(jìn)行了大量的研究,尤其是生物陽(yáng)極的研究,但是陰極的研究很少,尤其是生物陰極的研究更少,在CW-MFC中,陰極是極其重要的一部分,電子、質(zhì)子以及電子受體在陰極完成還原反應(yīng),陰極反應(yīng)差,電化學(xué)反應(yīng)緩慢,導(dǎo)致系統(tǒng)的電性能與凈水性能差。所以,本文對(duì)修飾陰極進(jìn)行深入研究。本文分別采用強(qiáng)化曝氣陰極、微生物修飾陰極、化學(xué)修飾陰極對(duì)陰極的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,探討提高陰極性能的最佳方案。本文構(gòu)建四個(gè)實(shí)驗(yàn)柱,無(wú)修飾陰極搭建的CW-MFC作為實(shí)驗(yàn)柱一,主要起對(duì)照作用;曝氣修飾陰極搭建的CW-MFC作為實(shí)驗(yàn)柱二;三價(jià)鐵修飾陰極搭建的CW-MFC作為實(shí)驗(yàn)柱三;反硝化細(xì)菌修飾陰極搭建的CW-MFC作為實(shí)驗(yàn)柱四。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究其產(chǎn)電性能與凈水性能的差別,以獲得最佳性能的修飾陰極。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究我們得到了一下有價(jià)值的結(jié)論:（1）在電性能方面:曝氣修飾陰極CW-MFC的性能最好,達(dá)到穩(wěn)定所用的時(shí)間最短,且產(chǎn)生的最大電壓達(dá)到4... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

CW-MFC工作原理圖

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-6-圖1-2自養(yǎng)反硝化過(guò)程中的生物化學(xué)步驟(1負(fù)責(zé)基因，E0’氧化還原電位，a膜結(jié)合蛋白，b周質(zhì)蛋白反硝化細(xì)菌修飾陰極有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）反硝化細(xì)菌內(nèi)的酶作為催化劑，取代傳統(tǒng)的金屬催化劑，極大的降低了CW-MFC的成本；（2）克服了因金屬催化劑帶來(lái)的污染的問(wèn)題，使提高了CW-MFC運(yùn)行的穩(wěn)定性；（3）可利硝化及反硝化細(xì)菌協(xié)同作用強(qiáng)化降解水中NH-N，提高了CW-MFC對(duì)NH-N出去率效率。Homels等[23]人發(fā)現(xiàn)MFC陰極上沉積的微生物參與了反應(yīng)，比如氨鹽的氧化以及硝酸鹽的還原，向人們展示了陰極中發(fā)生了氮的循環(huán)。Park等[24]人發(fā)現(xiàn)在微生物的作用下陰極中的NO-N會(huì)接受電子而被還原為N，NO-N的去除率達(dá)到98%。由此開始了對(duì)硝酸鹽作為MFC電子受體的研究。Virdis等[25]人構(gòu)建了雙室MFC，將陽(yáng)極出水導(dǎo)出至好氧反應(yīng)器中進(jìn)行硝化，然后在將出水引入陰極室發(fā)生反硝化，該裝置實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的脫氮(圖1-3)。該裝置的有機(jī)物出去速率打到了2kgCOD/md，NO-N的去除速率為0.41kgNO-N/(md)，最大電流密度為133.3Am。Virdis等[26]人進(jìn)一步進(jìn)行研究，先在陰極中進(jìn)行曝氣，將污水中的NH-N氧化成NO-N，然后再引入陰極，NO-N在陰極接受電子被還原成N，實(shí)現(xiàn)了硝化與反硝化的同步，出水的NO-N為1.0mg/L，NH-N的濃度別2.13mg/L，總氮的去除率為94.1％，最大輸出功率為6.1W/m。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-7-圖1-3生物陰極硝酸鹽還原的示意圖林等[27]人從缺氧池的活性污泥中進(jìn)行篩選，選出具有反硝化性能強(qiáng)的反硝化菌群，利于此菌群修飾的陰極構(gòu)建MFC，處理焦化廢水（圖1-4），對(duì)其進(jìn)行研究。林等人將陰極放進(jìn)反硝化菌群中進(jìn)行吸附，直至飽和，然后放入30℃恒溫箱中進(jìn)行靜置培養(yǎng)，由此得到反硝化細(xì)菌修飾陰極。當(dāng)反硝化細(xì)菌修飾陰極MFC運(yùn)行穩(wěn)定后，對(duì)系統(tǒng)的產(chǎn)電性能進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)的輸出電壓為495mV，功率密度最高達(dá)29.23mV/m2，COD去除率達(dá)到70%。除此之外，對(duì)廢水中的其他污染物，如吲哚、吡啶、苯酚、喹啉等，均有較好的去除，苯酚的去除率為61%，吡啶、喹啉和吲哚的去除達(dá)到了30%。圖1-4反硝化菌生物修飾陰極MFC系統(tǒng)圖林等人通過(guò)該實(shí)驗(yàn)得到：（1）48h的水利停留時(shí)間優(yōu)于24h。當(dāng)水利停留時(shí)間為48h時(shí)，NO-N的去除率可以達(dá)到80%，明顯高于24h的水利停留時(shí)間;（2）組合優(yōu)勢(shì)菌反硝化能力比單株優(yōu)勢(shì)菌好。由于廢水的成分比較復(fù)雜，而且有毒、有害以及難降解的物質(zhì)多，混合的菌組來(lái)進(jìn)行生物降解，以彌補(bǔ)單株菌株抗逆性差的缺點(diǎn)，在48h的水利停留時(shí)間下組合組合優(yōu)反硝化細(xì)菌對(duì)硝酸鹽氮去除率可達(dá)99%。Abdullah[28]等人發(fā)明了一種自養(yǎng)反硝化微生物催化陰極反應(yīng)裝置（圖1-5）。該裝置由三個(gè)由丙烯酸材料制成的腔體組成，腔室內(nèi)部由質(zhì)子交換膜(PEM)分隔，每個(gè)室都

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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[6]生物質(zhì)燃料電池的研究進(jìn)展[J]. 吳祖林,劉靜.  電源技術(shù). 2005(05)

碩士論文
[1]流化床微生物燃料電池模擬研究[D]. 尚均頂.青島科技大學(xué) 2018



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