【摘要】：微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一種創(chuàng)新可持續(xù)發(fā)展的污水處理技術(shù),用于污染控制和能源生產(chǎn)。為了解決傳統(tǒng)微生物燃料電池pH的自反饋抑制、陰極室好氧反硝化菌難以富集和緩沖體系對水體造成二次污染等問題。本論文通過在MFC中構(gòu)建自緩沖體系(陰極硝化反應(yīng)和陽極反硝化反應(yīng)),探索了陰極硝化耦合陽極反硝化MFC的啟動過程和最佳工況。陰極硝化耦合陽極反硝化MFC在啟動階段,耗時45 d啟動成功,穩(wěn)定電壓為560mV,最大功率密度為6.71 W·m~(-3)。在啟動階段,體系總氮去除率隨著時間的增大而增大,最終趨于穩(wěn)定,總氮去除率接近99%。陽極室COD去除率為92.7%。反應(yīng)器啟動成功后,陽極室石墨顆粒上微生物以桿狀菌為主,其分布密集,形態(tài)上互相緊密連接;陰極上的微生物較為稀疏。陽極室的主要菌屬有:希瓦氏菌屬Shewanella、地桿菌屬Geobacter、假單孢菌屬Pseudomonaceae和異養(yǎng)反硝化菌屬Denitratisoma。陰極室的主要菌屬有:硝化螺旋菌屬Nitrospira和硝酸菌屬Nitrobacter。同時,對影響陰極硝化耦合陽極反硝化MFC性能的因素進行探索,優(yōu)化其運行條件,尋求其最佳工況并得出以下結(jié)論:(1)外阻越小時,有機物降解速率越快,總氮去除率越高,陽極室上生物膜的氧化能力越強,氧化陽極底物的能力越強。(2)在一定范圍內(nèi),隨著陽極室COD濃度的增加,MFC的產(chǎn)電性能越好,最大功率密度越大,但陽極室?guī)靷愋试降汀ｊ枠O室進水COD對MFC脫氮除碳效果影響不大。(3)在一定范圍內(nèi),隨著陰極室氨氮(NH_4~+-N)濃度的增加,MFC的產(chǎn)電性能越好,最大功率密度越大,總氮去除率減小。陰極室氨氮(NH_4~+-N)濃度對MFC除碳效果影響不大。(4)最大體積功率密度隨著水力停留時間的增大先增大后減小,水力停留時間對MFC脫氮除碳效果影響不大。(5)MFC的產(chǎn)電性能隨著攪拌強度的增強先增大后減小,攪拌強度為20 mL·min~(-1)時,最大功率密度是7.01 W·m~(-3) NC;當(dāng)攪拌強度為20 mg·L~(-1),反應(yīng)器處于完全混流和推流之間,體系的脫氮除碳效果最好。陰極硝化耦合陽極反硝化MFC的最佳工況:外阻100?,陽極進水COD濃度為550 mg·L~(-1),陰極室氨氮(NH_4~+-N)濃度為25 mg·L~(-1),水力停留時間8.20 h(陰陽極室進水流速均為0.65 mL·min~(-1)),循環(huán)攪拌強度20 mL·min~(-1)。MFC在最佳工況下最大功率密度是7.05 W·m~-33 NC;連續(xù)運行30 d時,平均每天總氮去除率為98.32%,平均每天COD去除率為93.05%。在最佳工況下,陽極室石墨顆粒上微生物以桿狀菌為主,在形態(tài)上接近生物幼蟲;陰極室石墨顆粒互相抱團連接。陽極室的主要菌屬有:地桿菌屬Geobacter;希瓦氏菌屬Shewanella;異養(yǎng)反硝化菌屬Denitratisoma;unclassified_f_Rhodocyclaceae和假單孢菌屬Pseudomonaceae;陰極室的主要菌屬有:硝化螺旋菌屬Nitrospira;硝酸菌屬Nitrobacter。陽極室和陰極室的菌屬分別與啟動階段時陽極室和陰極室的菌屬相似,只是所占的比例不同。
【學(xué)位授予單位】：廣州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM911.45;X703
【圖文】：

圖 1-1 MFC 結(jié)構(gòu)和原理示意圖Fig. 1-1 Schematic of the structure and working principle of microbial fuel cell 在廢水處理中的運用

圖 2-1 陰極硝化耦合陽極反硝化 MFC 反應(yīng)器示意圖. 2-1 Schematic diagram of cathode nitrification coupled to anode denitrification of MFC ree-e-R-+進水口 進水口循環(huán)口循環(huán)口循環(huán)口 循環(huán)口出水口 出水口參比電極 參比電極電極 電極陽極質(zhì)子交換膜陰極蠕動泵陰極蠕動泵蠕動泵蠕動泵

圖 3-1 陰極硝化耦合陽極反硝化 MFC 原理圖Fig. 3-1 Schematic diagram in cathode nitrification coupled to anode denitrification of MFC3.2.2 反應(yīng)器的運行陰極硝化耦合陽極反硝化 MFC 所處環(huán)境溫度為(26 4) ℃。采用連續(xù)培養(yǎng)的方式通過蠕動泵向反應(yīng)器進水，體系水力停留時間為 8.2 h（陰陽極室進水流速均為 0.65mLmin-1）。在陰極室進水中持續(xù)曝氣，保持陰極室 DO 為(6.5 0.5)mg L-1，進水氨氮(NH4+-N)濃度為 25mg L-1。陰極室的出水加入 C6H12O6溶液和微量元素后通過蠕動泵進入到陽極室，陽極室 DO 為(0.3 0.1)mg L-1，ORP 為(-200 0.5)mV，進水 COD 為550mg L-1。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)置陰極室和陽極室的循環(huán)攪拌流量均為 10mLmin-1。陰極室和陽極室之間接入可變電阻箱（調(diào)節(jié)至 500 ），同時接入 32 通道的電壓采集器用于記錄電壓。3.3 陰極硝化耦合陽極反硝化 MFC 的產(chǎn)電性能

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本文編號：2776597