發(fā)布時(shí)間：2020-10-17 12:30

　　 當(dāng)前水資源危機(jī)、能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益突出,制約了人類社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步,微生物燃料電池(MFCs)作為一種新的污水能源化技術(shù),在處理廢水的同時(shí)能夠達(dá)到電能的回收,符合當(dāng)今“綠色發(fā)展”理念和生態(tài)文明建設(shè)。能源微藻作為一種可代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料的清潔環(huán)保的生物質(zhì)能,可將其作為MFCs的陰極生物催化劑,提高系統(tǒng)的輸出功率密度,降低MFCs的構(gòu)建成本,同時(shí)還可以收獲能源微藻。另一方面,我國(guó)是豬肉生產(chǎn)大國(guó),在養(yǎng)豬場(chǎng)快速發(fā)展的過程中產(chǎn)生的廢水占我國(guó)禽畜廢水總排放量的3/5,廢水中含有高濃度的COD、氨氮和TP,未經(jīng)處理的養(yǎng)豬廢水直接排放嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境,但廢水中的高濃度有機(jī)物是MFCs的理想基質(zhì)。為此,本文構(gòu)建了微藻型MFCs處理養(yǎng)豬廢水,通過研究關(guān)鍵參數(shù)pH和底物濃度對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)電性能和有機(jī)污染物降解效果的影響,驗(yàn)證了微藻型MFCs在高效處理養(yǎng)豬廢水同時(shí)產(chǎn)電的可行性,同時(shí)研究了小球藻廢水資源利用生長(zhǎng)及凈化作用。(1)在已有研究的基礎(chǔ)上,確定最佳運(yùn)行溫度為30℃,光照強(qiáng)度為5500Lux。采用人工模擬配水啟動(dòng)微藻型MFCs,經(jīng)過20d的啟動(dòng),電壓穩(wěn)定在165±5mV,說明電極完成了對(duì)產(chǎn)電細(xì)菌的選擇和富集,系統(tǒng)啟動(dòng)成功并穩(wěn)定運(yùn)行,最大輸出功率密度為231.64mW/m3,產(chǎn)電周期約80h,并能夠有效的降解廢水中的有機(jī)物,對(duì)COD的去除達(dá)到87.75%。(2)在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上,研究了關(guān)鍵參數(shù)pH、底物濃度對(duì)微藻型MFCs產(chǎn)電性能和有機(jī)污染物降解效果的影響。結(jié)果表明:微藻型MFCs陽極液在堿性環(huán)境中有利于提高系統(tǒng)的性能,當(dāng)pH值從6增加到10時(shí),微藻型MFCs的產(chǎn)電性能隨之提高,當(dāng)pH=10時(shí),系統(tǒng)的產(chǎn)電性能達(dá)到最佳,功率密度為534.84mW/m~3,是pH=6時(shí)的最大出功率密度的2.12倍;pH對(duì)COD的去除率影響不大,均在90%以上,氨氮的去除率隨著pH值的升高而提高,當(dāng)pH=10時(shí),NH_4~+去除率達(dá)93.54%。底物濃度對(duì)系統(tǒng)的開路電壓影響不大,穩(wěn)定輸出電壓和功率密度隨濃度的變化趨勢(shì)均符合Monod方程變化規(guī)律;隨著底物濃度的增大,系統(tǒng)的庫倫效率逐漸降低,二者擬合曲線方程為:y=55.869x~(-0.36)(R~2=0.9848),庫倫效率從COD=510mg/L時(shí)的5.97%降低至2.86%,降低了約52%;COD的去除效果隨著底物濃度的增加逐漸上升,NH_4~+和TP的去除率隨著底物濃度的增加逐漸下降。從產(chǎn)電性能、污染物降解能力和效率多方面的綜合分析評(píng)價(jià),底物初始COD=950mg/L時(shí),系統(tǒng)的綜合性能表現(xiàn)最佳。因此,微藻MFCs在溫度為30℃,光照強(qiáng)度為5500Lux,pH=10,初始COD=950mg/L的條件下運(yùn)行,系統(tǒng)產(chǎn)電性能和有機(jī)物降解效果的綜合性能表現(xiàn)最佳。(3)將人工模擬配水運(yùn)行的微藻型MFCs用于處理實(shí)際養(yǎng)豬廢水,經(jīng)過三個(gè)產(chǎn)電周期,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定輸出電壓為220mV,產(chǎn)電周期約120h,最大輸出功率為432.44mW/m~3,對(duì)COD、NH_4~+和TP的去除率分別達(dá)85.61%、90.50%和38.97%,庫倫效率為6.28%。與同濃度的人工模擬配水的效果相比,輸出電壓略有下降,但庫倫效率有所提升,說明系統(tǒng)對(duì)養(yǎng)豬廢水的利用率更高,可以高效的降解養(yǎng)豬廢水中的有機(jī)污染物并同時(shí)產(chǎn)生電能。(4)通過分析比較在不同水體中小球藻的生長(zhǎng)情況和凈水效果,發(fā)現(xiàn)小球藻在養(yǎng)豬廢水原水中由于濃度較高不能正常生長(zhǎng),有機(jī)物降解主要靠廢水中原有的微生物降解;稀釋8倍養(yǎng)豬廢水和陽極出水在小球藻的凈化下,出水水質(zhì)達(dá)到畜禽養(yǎng)殖業(yè)水污染排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18596-2001);小球藻能夠迅速進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,細(xì)胞干重分別達(dá)到0.397g/L和0.258g/L,比生長(zhǎng)速率分別為0.286/d和0.196/d。
【學(xué)位單位】：長(zhǎng)安大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM911.45;X713
【部分圖文】：

第一章 緒論燃料電池的工作原理興的廢物資源化和能源回收技術(shù)，MFCs 是一種通過利用可被生量反應(yīng)而直接產(chǎn)生電流的裝置，從能量轉(zhuǎn)化的角度，MFCs 實(shí)現(xiàn)學(xué)能轉(zhuǎn)化作電能的過程。其工作原理是：在厭氧環(huán)境下，利用微動(dòng)，通過微生物對(duì)有機(jī)物質(zhì)的分解進(jìn)而釋放出質(zhì)子和電子，電子接傳遞到陰極形成電流，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極，電子（如氧氣等）在陰極室發(fā)生還原反應(yīng)生成水，進(jìn)而完成 MFCs 的成有機(jī)物的去除[45]。

.1 微藻型 MFCs 電池系統(tǒng)1.1 微藻型 MFCs 裝置構(gòu)建本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的微藻型 MFCs 采用有機(jī)玻璃自制的雙室 MFCs，如圖 2.1、圖 2.2 所中陰陽兩極室的尺寸均為 5.0cm×5.5cm×6.0cm，有效工作容積為 150mL，中間留5cm×6.0cm 的孔洞。用質(zhì)子交換膜將陽極室和陰極室隔開，用硅膠墊和不銹鋼螺絲固定密封，其中陽極室處于絕對(duì)密封狀態(tài)，保證其厭氧環(huán)境。陰陽兩極的電極材料用 0.2cm 碳?xì)郑姨細(xì)直砻娣e均為 40.5cm2（4.5cm×4.5cm，雙面），通過鈦絲導(dǎo)線陽兩級(jí)的電極和負(fù)載電阻 1000Ω連接形成電流回路。陰陽兩級(jí)室側(cè)壁上打孔方便取排放底物，頂板上各有三個(gè)孔，其中一個(gè)用于更換底物，一個(gè)插入飽和甘汞參比電個(gè)作為出氣口（備用），用橡膠管將兩室的出氣口封堵。系統(tǒng)的輸出電壓采用數(shù)據(jù)卡及配套軟件、電腦進(jìn)行采集，每 1min 記錄一次，每 10min 平均一次，以 excel 文式保存于電腦。

（A）反應(yīng)裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （B）反應(yīng)裝置圖 2.2 微藻型 MFCs 實(shí)體圖實(shí)驗(yàn)材料預(yù)處理：（1）質(zhì)子交換膜的預(yù)處理：nafion117 膜在使用前，需對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以期達(dá)好的傳遞效果。首先將膜放在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%的雙氧水中在 80℃下煮 1 小時(shí)，然后離子水浸泡 0.5 小時(shí)，再用 5%的稀硫酸在 80℃下煮 1 小時(shí)，最后再用去離子水浸5 小時(shí)。（2）碳?xì)值念A(yù)處理：先用蒸餾水浸泡 1h，去除表面雜物，再分別用 1mol/L 的 H 1mol/L 的 NaOH 浸泡 2h，最后放在去離子水中備用。1.2 菌種的選擇陽極室接種微生物：陽極室接種的混合菌取自西安市某污水處理廠的厭氧池，需取回來的污泥在厭氧條件下定期添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行馴化，30d 后方可作為接種污泥
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2844780