【摘要】：微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)可以實現(xiàn)生物陰極反硝化,但是自養(yǎng)反硝化過程的速率較低。本研究利用多陽極單陰極微生物燃料電池(Single-Cathode and Multi-Anodes Microbial Fuel Cell,SCMA-MFC),通過同時在陰極提供有機物和氧氣,在實現(xiàn)異養(yǎng)反硝化耦合自養(yǎng)反硝化過程的同時,達到同步硝化反硝化的目的。在對SCMA-MFC的陽極數(shù)量和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化的基礎(chǔ)上,研究了運行參數(shù)(陽極有機物濃度、陰極溶解氧濃度、陰極碳氮比(COD/N,簡稱C/N)和外電阻值)、外電阻連接方式以及開路或閉路狀態(tài)的差異對SCMA-MFC陽極和陰極污染物去除和產(chǎn)電性能的影響。同時分析比較了SCMA-MFC系統(tǒng)啟動前后以及陰極不同C/N比條件下陰極微生物群落結(jié)構(gòu)的變化,為解析陰極脫氮途徑以及陰極有機物對微生物的影響提供理論依據(jù)。主要研究結(jié)果如下:(1)陽極數(shù)量分別為1、3、5的MFC在陽極啟動完成后,陽極COD去除率均在93.7%以上。在陰極NaAc濃度為0.3 g/L,溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)濃度為0.7±0.1mg/L的條件下,成功實現(xiàn)SCMA-MFC陰極同步硝化反硝化,陰極啟動完成時三個反應(yīng)器的脫氮率分別穩(wěn)定在60.9%、61.3%、56.5%。(2)綜合比較電池產(chǎn)電性能和污染物去除效果,三陽級單陰極MFC(Single-Cathode and Triple-Anodes MFC,3A-MFC)構(gòu)型優(yōu)于單陽極單陰極MFC(Single-Cathode and Single-Anode MFC,1A-MFC)、五陽極單陰極MFC(Single-Cathode and Five-Anodes MFC,5A-MFC)。3A-MFC最大功率密度為236.7 mW/m~3,陽極COD、NH_4~+-N和總氮(Total Nitrogen,TN)去除率可分別達到94.0%、84.8%、71.6%,前25 h和后25 h的TN平均去除速率可分別達到15.7 mg/L·d和4.7 mg/L·d。(3)綜合比較污染物去除效果和產(chǎn)電性能指標(biāo),3A-MFC的最佳運行參數(shù)為:陽極進水NaAc濃度為1.5 g/L,陰極DO濃度為0.7±0.1 mg/L,陰極C/N比為3.5,外電阻值為150Ω,此時最大功率密度為182.9 mW/m~3,陽極COD、TN、NH_4~+-N去除率最高為97.3%、84.1%、97.1%,TN平均去除速率為13.1 mg/L·d。低電阻下的高電流密度可能會刺激反硝化菌株脫氮活性的提高。(4)3A-MFC采用多陽極與陰極并聯(lián)的連接方式時,污染物去除速率高于多陽極與陰極串聯(lián),并聯(lián)時的TN平均去除速率為14.4 mg/L·d,為串聯(lián)時的1.9倍。電流的刺激可能會促使反硝化菌和硝化細菌更快地進行同步硝化反硝化。(5)隨著3A-MFC反應(yīng)器的運行,系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落多樣性和豐度總體呈下降趨勢,反硝化和硝化功能菌群逐漸被富集。陰極主要的硝化作用菌屬為Nitrosomonas和Nitrospira;陰極涉及反硝化作用的菌屬為Thioalkalispira、Ignavibacterium、Bacillius等。不同陰極C/N比條件下,3A-MFC陰極普遍存在異養(yǎng)型好氧反硝化和自養(yǎng)反硝化菌群,如Bacillus屬、Comamonas屬細菌。當(dāng)陰極有機物濃度較高時會抑制自養(yǎng)反硝化菌群如Thiobacillus屬細菌,但會強化缺氧型異養(yǎng)反硝化菌屬如Clostridium sensu stricto屬等。本課題在對SCMA-MFC結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上探究了3A-MFC實現(xiàn)陰極同步硝化反硝化的最佳運行參數(shù),并通過多陽極與陰極并聯(lián)、陰極加入有機物等方式強化了陰極同步硝化反硝化過程。根據(jù)陰極主要脫氮微生物的功能推測3A-MFC陰極反硝化的途徑包括自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化,異養(yǎng)反硝化中又包括好氧反硝化途徑。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM911.45;X703
【圖文】：

2→2ClO4-+8e-+8H+→Cl-+4H2O 㧏0NO3-+2e-+2H+→NO2-+H2O 㧏0Fe(CN)63-+e-→Fe(CN)64-㧏0NO2-+e-+2H+→NO+H2O 㧏0O2+2e-+2H+→H2O2㧏0微生物的催化作用使電子受體在陰極發(fā)生還原反應(yīng)對于化學(xué)催化劑更高效且成本低，降低了 MFC 的是硝酸鹽、高氯酸鹽等，在去除污染物的同時還可越多地被應(yīng)用于去除環(huán)境中的污染物[38]。陰極電子質(zhì)和速率，是影響 MFC 性能的重要因素。理想的數(shù)大和氧化還原電位高等特性[39]。和陰極室在物理環(huán)境上分隔開，避免兩者間的氣體常用的分隔膜有質(zhì)子交換膜、陽離子交換膜、陰離換膜為（Proton exchange membrane，PEM）美國 酸交換膜，簡稱 Nafion 膜，其基本骨架是聚四氟乙醚支鏈，而支鏈的末段為磺酸基團，其分子結(jié)構(gòu)簡式

圖 1-3 微生物燃料電池工作原理萄糖、陰極室利用氧氣作為電子受體為例，其陰陽 C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e- 6O2+24e-+24H+→12H2O胞外電子傳遞機制將胞內(nèi)電子傳遞到陽極表面。三種[29]，如圖 1-4 所示：（1）細胞膜直接接觸傳內(nèi)相互接觸的產(chǎn)電微生物，利用細胞質(zhì)膜（內(nèi)膜上一系列的電子傳遞體，將電子傳遞鏈上的電子遞：產(chǎn)電微生物表面類似于菌毛的“納米導(dǎo)線”能中介體：產(chǎn)電微生物分泌電子，具有氧化還原可在產(chǎn)電微生物和電極之間來回傳遞電子。

圖 1-3 微生物燃料電池工作原理糖、陰極室利用氧氣作為電子受體為例，其陰6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e-O2+24e-+24H+→12H2O外電子傳遞機制將胞內(nèi)電子傳遞到陽極表面。種[29]，如圖 1-4 所示：（1）細胞膜直接接觸傳相互接觸的產(chǎn)電微生物，利用細胞質(zhì)膜（內(nèi)膜一系列的電子傳遞體，將電子傳遞鏈上的電子遞：產(chǎn)電微生物表面類似于菌毛的“納米導(dǎo)線”介體：產(chǎn)電微生物分泌電子，具有氧化還原可產(chǎn)電微生物和電極之間來回傳遞電子。

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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2 黃麗巧;易筱筠;韋朝海;馮春華;;陰極硝化耦合陽極反硝化實現(xiàn)微生物燃料電池技術(shù)脫氮[J];環(huán)境工程學(xué)報;2015年10期

3 王海;阮辰e

本文編號：2776206