【摘要】：微生物燃料電池(MFC)是在微生物催化作用下同時去除污染物并產(chǎn)生電能的裝置,其為生物脫氮技術提供了一條新的思路。本文以雙室型陰極反硝化MFC為研究對象,考察了三種含氮物(氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮)廢水分別作為陰極底物時MFC的脫氮產(chǎn)電性能。試驗研究不同運行參數(shù)(底物濃度、溫度、外電阻等)對MFC性能的影響,鑒別陰極室內(nèi)反硝化菌的功能特征,探討MFC生物脫氮產(chǎn)電工作機理。主要結(jié)果如下:(1)研究氨氮廢水作為MFC陰極底物發(fā)生同步硝化反硝化時,不同運行方式對MFC處理氨氮廢水的影響。(1)考察了通路與斷路條件對MFC產(chǎn)電脫氮的影響,結(jié)果表明:斷路時有利于硝化反應的發(fā)生,氨氮去除率最大值為95.17%;而通路更有利于COD和總氮的去除,總氮去除負荷達到0.064 g/(L·d)。(2)采取曝氣階段+停曝階段運行方式后,總氮去除負荷升高到0.46 g/(L·d),說明此運行方式既能有效提高MFC的脫氮產(chǎn)電性能又可以減少維持高濃度DO的能量輸入。(2)研究當硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮廢水分別作為陰極底物時,運行參數(shù)對MFC的性能影響。(1)在一定底物濃度范圍內(nèi),提高底物濃度可強化MFC脫氮產(chǎn)電能力。對電流密度與進水硝態(tài)氮濃度之間變化趨勢進行數(shù)型模擬。而對以亞硝態(tài)氮為底物的MFC,采用低流量、高進水亞硝態(tài)氮濃度的運行方案可降低亞硝酸鹽硝化率、提高脫氮效率。(2)較低的外電阻有助于提高MFC的脫氮產(chǎn)電性能。對于3號MFC,在外電阻為25Ω時,總氮去除負荷和電流密度均達到最大值66.86 g/(m3·d)和14.25 A/m3。(3)合適的水力停留時間(HRT)可以縮短MFC陰極室的處理時間、提高脫氮處理效率。對于3號MFC,當水力停留時間為59 h,總氮去除率高達93.23%。(4)pH對MFC中反硝化菌的活性和總氮去除有較大影響。偏酸性的環(huán)境下有利于提高MFC的運行性能。對于2號MFC,pH值為6.85時,總氮去除負荷達到最大值54.82 g/(m3·d)。(5)升高溫度有助于增強MFC的運行性能。對于以亞硝態(tài)氮為底物的MFC,在溫度為32℃時,總氮去除負荷達到最大值55.27±0.84 g/(m3·d)。但溫度過高或低均會抑制反硝化菌群活性。(6)通過對長時間運行的MFC陽極室采取間歇曝氣的方式,可抑制產(chǎn)甲烷菌的生長,提高陽極的產(chǎn)電性能。(3)研究當硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮廢水分別作為陰極底物時,分析比較陰極室內(nèi)微生物的功能特征,推測MFC陰極室內(nèi)存在的主要生物電化學反應。(1)從反應器的運行性能來看,以硝酸鹽為底物的MFC1脫氮效果最好。從菌群結(jié)構(gòu)分析來看,兩個菌群的相似性系數(shù)為52.2%。MFC1反應器的優(yōu)勢菌為Ignavibacteria綱的菌屬Ignavibacterium,其次為β-變形菌綱(Betaproteobacteria)的菌屬Thiobacillus。以亞硝酸鹽為底物的MFC2反應器的優(yōu)勢菌為異常球菌綱(Deinococci)的菌屬Truepera。兩個MFC中的產(chǎn)電菌可能主要是Alphaproteobacteria(α-變形菌綱)和Betaproteobacteria(β-變形菌綱)。Thiobacillus(硫桿菌屬)、Ignavibacterium、Afipia(阿菲波菌屬)和Aquamicrobium(厭氧繩菌屬)等可能為MFC陰極室內(nèi)的主要脫氮功能菌。(2)推測硝態(tài)氮為電子受體MFC陰極室內(nèi)存在的主要生物電化學反應:自養(yǎng)反硝化、異養(yǎng)反硝化、氧氣還原和其他的電化學反應。推測亞硝態(tài)氮為電子受體的MFC陰極室內(nèi)存在的主要生物電化學反應:自養(yǎng)反硝化反應、異養(yǎng)反硝化反應、自養(yǎng)硝化反應、氧氣還原反應和其他的一些電化學反應。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：長安大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.45

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本文編號：2433177