【摘要】：垃圾滲濾液是在垃圾填埋過程中或者垃圾填埋場封場之后,由垃圾分解和降雨作用產(chǎn)生的一種高濃度高污染的廢水,其中的高有機(jī)物和高氨氮濃度使其極難處理。運(yùn)用傳統(tǒng)的污水處理方法處理垃圾滲濾液成本高,并且存在二次污染的可能性,亟待開發(fā)一種綠色且低成本的垃圾滲濾液處理技術(shù)。微生物燃料電池(Microbial fuel cells,MFCs)使用微生物氧化有機(jī)底物并釋放電子,可處理污水并回收電能。然而,MFC更傾向于有效降解簡單的有機(jī)污染物,對于滲濾液中的氮以及難降解有機(jī)物污染物的去除效果較差。本文將微藻生物膜技術(shù)引入單室MFC,微藻在生長過程中可以有效的同化滲濾液中的N、P等營養(yǎng)鹽,協(xié)同MFC降解復(fù)雜的有機(jī)物。在此過程中MFC為微藻提供光合作用需要的CO_2,同時(shí)MFC利用微藻光合作用原位產(chǎn)生的氧氣作為陰極電子受體,可實(shí)現(xiàn)微藻生長和MFC處理污水的協(xié)同。但是,微藻產(chǎn)生的氧氣容易擴(kuò)散到單室MFC陽極,與陽極競爭電子且影響產(chǎn)電菌活性,降低MFC的產(chǎn)電性能。基于此,本文將微藻生物膜與單室MFC進(jìn)行耦合,利用耗氧單元(Oxygen consuming unit,OCU)阻隔并消耗微藻光合作用生成的氧氣,以滲濾液為底物,研究該耦合體系對滲濾液有機(jī)物和氮的去除以及電能和生物質(zhì)回收的可行性。本文主要研究內(nèi)容和研究結(jié)果包括:(1)本研究共設(shè)計(jì)四組實(shí)驗(yàn)對照組,包括微藻生物膜與單室MFC直接耦合體系(AB-MFC)、通過耗氧單元耦合微藻生物膜和單室MFC體系(AB-OCU-MFC,耗氧單元以碳?xì)譃檩d體,接種污水后曝氣培養(yǎng)一段時(shí)間)、單獨(dú)MFC體系、單獨(dú)微藻生物膜體系(AB)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)AB-OCU-MFC體系中COD和氨氮的去除效果最好,降解最快,最終COD和氨氮的去除效率分別為86.80%和89.40%,最大電壓為0.39V,藻生物質(zhì)產(chǎn)率為1.23 g L~(-1) d~(-1);AB-MFC體系COD和氨氮的降解效率分別為73.90%和77.70%,AB體系COD和氨氮降解效率分別為72.69%和80.00%;MFC體系對于COD和氮的去除效率最低,分別為69.30%和30.30%;AB-MFC體系、AB體系、AB-OCU-MFC體系的藻生物質(zhì)產(chǎn)量逐漸增大,MFC體系、AB-MFC體系、AB-OCU-MFC體系庫倫效率逐漸減小;AB-OCU-MFC體系對腐殖酸降解效果最好,而其他體系中腐殖酸降解效果較差。(2)探究了AB-OCU-MFC體系中不同耗氧單元厚度對于滲濾液中污染物降解以及能源回收效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著OCU厚度的增加,COD和氮的去除效率越來越高。當(dāng)體系中不存在OCU時(shí),48 h的COD的降解效率為73.90%,氨氮(NH_4~+-N)和總氮(Total nitrogen,TN)最大去除效率為77.70%和69.56%,降解速率最慢,效率最低;OCU層厚度為1 cm、2 cm時(shí),12 h內(nèi)都可達(dá)到最大的降解效率,COD的降解效率分別為78.80%、86.80%,NH_4~+-N降解效率分別為84.40%和89.40%;微藻產(chǎn)率隨著OCU厚度增加而增加。由于OCU上微生物對滲濾液中有機(jī)物的消耗,電能回收效率(庫倫效率)隨著OCU厚度增加而減少。(3)研究了OCU對MFC陽極和陰極微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,以便了解OCU對MFC產(chǎn)電和污染物去除的影響機(jī)理。通過SEM和高通量測序方法對AB-OCU-MFC體系和AB-MFC體系中陽極和陰極微生物群落結(jié)構(gòu)以及OCU上的微生物群落形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn):OCU上的微生物形態(tài)多樣,不同種群的微生物豐度相近;AB-OCU-MFC體系的陽極產(chǎn)電菌Geobacter比例較AB-MFC體系提高了37.7%,并且出現(xiàn)了一種新的產(chǎn)電菌Rhodopseudomonas,陰極豐度最大的一類微生物為反硝化菌Thauera,豐度為24.7%;而AB-MFC體系陽極出現(xiàn)了嚴(yán)格好氧菌Flavobacterium,陰極上反硝化菌Thauera僅有2.6%,這說明OCU能有效阻隔氧氣進(jìn)入MFC陽極室,為陽極產(chǎn)電菌提供厭氧環(huán)境并促進(jìn)陰極硝化反硝化反應(yīng)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM911.45;X703
【圖文】：

1.4 MFC 概述1.4.1 MFC 工作原理MFC與傳統(tǒng)燃料電池的概念類似（如圖1-3），依靠微生物氧化一系列有機(jī)燃料源，轉(zhuǎn)換存儲在化學(xué)鍵中的能量，產(chǎn)生電流，而不是依賴于金屬催化劑[22]。真菌（酵母）與電極之間的電化學(xué)活性發(fā)現(xiàn)于 20 世紀(jì)初，Potter 在無菌介質(zhì)的電池裝置中，利用大腸桿菌和酵母菌的活培養(yǎng)物使鉑電極產(chǎn)生了電[23]。后來 Cohen 在 1931 年也證實(shí)了這一點(diǎn)，他報(bào)道了堆積的細(xì)菌燃料電池系統(tǒng)可產(chǎn)生 35V 的電壓[24]。這些研究和報(bào)道被視作電子生物學(xué)的起源，1963 年美國國家航空航天局（NASA）證實(shí)了在太空飛行期間將人類廢棄物再循環(huán)并轉(zhuǎn)化為電能的可行性[25-27]。1990 年，Habberman 和 Pommer 開創(chuàng)性地報(bào)道了一個(gè)可以長期工作的 MFC

圖 1-4 利用藻處理廢水示意圖[17]Figure 1-4 Schematic diagram of wastewater treatment with algae1.6 本論文的研究思路和主要內(nèi)容綜上所述，MFC 是一種潛在的廢水處理方法，并且可以回收污水中的能量。但是MFC 獨(dú)立處理垃圾滲濾液時(shí)效率低。微藻由于高效的生長速率被用做多種產(chǎn)品的原材料，然而人工培養(yǎng)微藻凈能量回收低，經(jīng)濟(jì)上不可行，若將垃圾滲濾液處理與微藻培養(yǎng)相結(jié)合，具有成本低、可回收有價(jià)值的營養(yǎng)物以及低成本去除污染物等優(yōu)點(diǎn)。然而目前 MFC 與直接微藻結(jié)合的垃圾滲濾液處理系統(tǒng)中溶解氧向陽極擴(kuò)散降低了MFC 的有機(jī)物處理能力與產(chǎn)電性能。本研究針對 MFC 和微藻技術(shù)目前存在的問題，即無法同時(shí)有效降解有機(jī)物和氨氮、降解時(shí)間長、直接耦合兩種技術(shù)面臨氧氣限制等進(jìn)行研究。雖然目前已有研究嘗試將 MFC 與微藻技術(shù)進(jìn)行耦合，多集中在雙室 MFC與微藻耦合，而對單室 MFC 耦合微藻技術(shù)的研究較少，尤其是關(guān)于微藻生物膜與單室

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4 段菁n

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