本文關(guān)鍵詞：濕地植物—沉積物微生物燃料電池產(chǎn)電及底泥修復(fù)研究

  更多相關(guān)文章： 濕地植物-微生物燃料電池 產(chǎn)電 底泥修復(fù) 重金屬

【摘要】：本研究以受污染的城市黑臭河涌底泥為底質(zhì),構(gòu)建了兩種濕地植物-沉積物微生物燃料電池(PSM1、PSM2)與一種無(wú)植物的沉積物微生物燃料電池(SM),并構(gòu)建兩種植物沉積物模擬濕地非產(chǎn)電系統(tǒng)(PS1、PS2)的做對(duì)照,以此來(lái)研究該系統(tǒng)的產(chǎn)電特性、系統(tǒng)運(yùn)行期間受污染底泥有機(jī)質(zhì)的降解效果及氮磷的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律;系統(tǒng)對(duì)底泥中As、Zn、Cd的遷移轉(zhuǎn)化影響及As的形態(tài)變化的影響;陽(yáng)極生物膜微生物群落的多樣性。主要研究結(jié)果如下:(1)在系統(tǒng)運(yùn)行的200天內(nèi),三個(gè)P-SMFCs處理組均能維持較穩(wěn)定的產(chǎn)電,輸出最大電壓分別達(dá)到PSM1處理組(0.69V)、SM處理組(0.63V)、PSM2處理組(0.66V),輸出平均電壓分別為PSM1處理組(0.32V)、SM處理組(0.24V)、PSM2處理組(0.28V)。三個(gè)處理組PSM1、SM和PSM2的內(nèi)阻分別為602Ω、498Ω和636Ω,最大輸出功率密度分別為10.74mW/m2、7.90mW/m2和10.05mW/m2。結(jié)果顯示,產(chǎn)電系統(tǒng)中植物存在輸出最大電壓略有增大,平均電壓顯著增大;最大輸出功率密度明顯提高,植物的存在會(huì)增大系統(tǒng)的內(nèi)阻。(2)P-SMFC系統(tǒng)中電極和植物的引入均對(duì)底泥有機(jī)質(zhì)的降解有顯著的促進(jìn)作用,系統(tǒng)在運(yùn)行的200天內(nèi)有機(jī)質(zhì)降低量分別為PSM1處理組(19.25%)、SM處理組(13.57%)、PSM2處理組(15.38%)、PS1處理組(8.70%)、PS2處理組(4.78%)。系統(tǒng)運(yùn)行前64天,PSM1和PSM2處理組氨氮含量顯著低于其他三個(gè)處理組,之后隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),各處理組之間的變化差異性不大。五個(gè)處理組底泥中氨氮去除率均達(dá)到80%以上,分別為PSM1處理組83.67%、SM處理組81.28%、PSM1處理組83.79%、PS1處理組85.94%、PS2處理組84.62%。系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中,各處理組硝氮含量在同一時(shí)間內(nèi)無(wú)顯著性差異,電極的引入及產(chǎn)電過(guò)程對(duì)底泥中硝氮的去除沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響;P-SMFC電極的存在抑制了磷的遷移,促進(jìn)了磷在底泥中的穩(wěn)定。(3)產(chǎn)電過(guò)程和植物的引入有助于底泥中As、Zn、Cd的穩(wěn)定,能夠減緩底泥中As、Zn、Cd向上覆水中的釋放。且離陽(yáng)極越遠(yuǎn),陽(yáng)極對(duì)底泥中As、Zn、Cd的影響越弱。電極產(chǎn)電過(guò)程影響重金屬生物有效性從而影響了植物對(duì)底泥中As、Zn、Cd的吸收。陽(yáng)極產(chǎn)電能夠改變底泥中砷的形態(tài)從而影響其向上覆水中釋放的速度,有助于底泥中砷的穩(wěn)定,但其對(duì)弱酸提取態(tài)砷及可還原態(tài)砷影響較小。隨著底泥至陽(yáng)極距離的增大,電極對(duì)底泥中各種As形態(tài)的影響越弱。另一方面,系統(tǒng)中植物的引入增加了弱酸可提取態(tài)砷的吸收,能降低活性強(qiáng)的弱酸提取態(tài)砷的含量。(4)植物的存在有助于陽(yáng)極生物膜細(xì)菌微生物的生長(zhǎng)及細(xì)菌群落多樣性的增加。在門水平的細(xì)菌分類分析中,各處理組都以Proteobacteria變形菌門為優(yōu)勢(shì)菌種。風(fēng)車草的引入顯著增加了系統(tǒng)中Nitrospirae硝化螺旋菌門及GOUTA19菌屬的數(shù)量。在屬水平細(xì)菌分類分析中,三個(gè)處理組均以Geobacter的相對(duì)豐度最高,為優(yōu)勢(shì)菌種。植物的引入及不同植物之間均會(huì)對(duì)微生物燃料電池系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。進(jìn)一步聚類分析發(fā)現(xiàn),PSM1、SM、PSM2處理組之間的微生物群落結(jié)構(gòu)差異較大,不同植物種類會(huì)對(duì)陽(yáng)極生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同影響。(5)系統(tǒng)中風(fēng)車草和短葉茳芏的引入對(duì)陽(yáng)極古菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響。各處理組古菌群落豐度的順序?yàn)?PSM1處理組SM處理組PSM2處理組,風(fēng)車草的存在有助于陽(yáng)極生物膜上古菌的生長(zhǎng),而短葉茳芏則會(huì)抑制古菌的生長(zhǎng)。另一方面,植物的引入有助于系統(tǒng)中古菌群落多樣性的增加,且風(fēng)車草相比短葉茳芏而言,更能增加系統(tǒng)的古菌群落的多樣性。在門水平的古菌群落分類中,三個(gè)處理組中都以Euryarchaeota廣古菌門的相對(duì)豐度最高,為優(yōu)勢(shì)菌種。古菌在屬水平的群落分類中,三個(gè)處理組均以Methanosaeta為優(yōu)勢(shì)菌種,其相對(duì)豐度最高分別達(dá)到PSM1處理組21.43%、SM處理組25.00%、PSM2處理組23.16%。且在已檢測(cè)出的基因序列中,只有少部分氨氧化類古菌的序列,其余序列都為產(chǎn)甲烷類古菌序列,其相對(duì)豐度總和達(dá)到30%以上。三個(gè)處理組中古菌群落結(jié)構(gòu)各自不同,微生物群落結(jié)構(gòu)差異較大。
【關(guān)鍵詞】：濕地植物-微生物燃料電池 產(chǎn)電 底泥修復(fù) 重金屬
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM911.45
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstact7-13
• 第一章 緒論13-25
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 水體底泥污染現(xiàn)狀及修復(fù)技術(shù)14-17
• 1.2.1 水體底泥污染現(xiàn)狀14-16
• 1.2.2 水體底泥修復(fù)技術(shù)16-17
• 1.3 微生物燃料電池17-22
• 1.3.1 微生物燃料電池的發(fā)展簡(jiǎn)史17-18
• 1.3.2 微生物燃料電池的原理及應(yīng)用18-20
• 1.3.3 植物-沉積物微生物燃料電池（P-SMFC）的研究進(jìn)展20-22
• 1.4 研究目的與意義22
• 1.5 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線22-25
• 1.5.1 研究?jī)?nèi)容22-24
• 1.5.2 技術(shù)路線24-25
• 第二章 材料與方法25-32
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料25-26
• 2.1.1 植物及底質(zhì)25
• 2.1.2 陰陽(yáng)極材料25-26
• 2.1.3 陰極溶液的配制26
• 2.2 植物-底質(zhì)微生物燃料電池（P-SMFC）實(shí)驗(yàn)裝置26
• 2.3 P-SMFC電化學(xué)性能分析方法26-27
• 2.3.1 電壓26-27
• 2.3.2 電流密度27
• 2.3.3 功率密度27
• 2.3.4 極化曲線27
• 2.3.5 系統(tǒng)內(nèi)阻27
• 2.4 底質(zhì)指標(biāo)分析方法27-29
• 2.4.1 理化性質(zhì)的測(cè)定27-28
• 2.4.2 底泥重金屬全量的測(cè)定28
• 2.4.3 底泥重金屬形態(tài)分析28-29
• 2.4.4 植物重金屬含量測(cè)定29
• 2.5 水質(zhì)指標(biāo)分析方法29-30
• 2.6 微生物群落多樣性的測(cè)定方法30-31
• 2.7 數(shù)據(jù)處理分析方法31-32
• 第三章 P-SMFC產(chǎn)電特性研究32-37
• 3.1 P-SMFC的產(chǎn)電特性32-35
• 3.2 P-SMFC的極化曲線與功率密度35-36
• 3.3 本章小結(jié)36-37
• 第四章 P-SMFC對(duì)底泥中氮磷污染物的修復(fù)效果研究37-44
• 4.1 P-SMFC系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)的降解特性38-39
• 4.2 P-SMFC系統(tǒng)中氮的遷移轉(zhuǎn)化39-42
• 4.3 P-SMFC系統(tǒng)中磷的遷移轉(zhuǎn)化42-43
• 4.4 本章小結(jié)43-44
• 第五章 P-SMFC對(duì)底泥中重金屬遷移轉(zhuǎn)化的影響研究44-54
• 5.1 P-SMFC系統(tǒng)對(duì)底泥中As含量及形態(tài)變化的影響44-48
• 5.1.1 P-SMFC系統(tǒng)對(duì)底泥中As含量變化的影響44-46
• 5.1.2 P-SMFC系統(tǒng)對(duì)底泥中As形態(tài)的影響46-48
• 5.2 P-SMFC系統(tǒng)對(duì)底泥中Zn含量變化的影響48-49
• 5.3 P-SMFC系統(tǒng)對(duì)底泥中Cd含量變化的影響49-51
• 5.4 P-SMFC系統(tǒng)對(duì)植物體內(nèi)重金屬含量的影響51-52
• 5.5 本章小結(jié)52-54
• 第六章 P-SMFC中陽(yáng)極微生物群落多樣性研究54-67
• 6.1 細(xì)菌54-60
• 6.1.1 α 多樣性指數(shù)分析54-55
• 6.1.2 細(xì)菌群落分類分析55-57
• 6.1.3 PCA主成分分析57-58
• 6.1.4 物種熱圖分析58-60
• 6.2 古菌60-65
• 6.2.1 α 多樣性指數(shù)分析60-61
• 6.2.2 古菌群落分類分析61-63
• 6.2.3 PCA主成分分析63-64
• 6.2.4 物種熱圖分析64-65
• 6.3 本章小結(jié)65-67
• 第七章 結(jié)論與展望67-70
• 7.1 結(jié)論67-68
• 7.2 展望68-70
• 參考文獻(xiàn)70-81
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果81-82
• 致謝82-83
• Ⅳ-2答辯委員會(huì)對(duì)論文的評(píng)定意見(jiàn)83

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