【摘要】：伴隨社會(huì)的發(fā)展,支柱性產(chǎn)業(yè)能耗高、效率低、對(duì)傳統(tǒng)能源的過(guò)度依賴(lài),新能源開(kāi)發(fā)不足,導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重,制約了我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展。調(diào)整能源結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)多樣化,發(fā)展清潔能源、加大新能源利用已成為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的主攻方向。 將厭氧折流板工藝與微生物燃料電池工藝相結(jié)合,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了折流板管狀空氣陰極微生物燃料電池(baffled tubular air-cathode MFC, BTAMFC)(200810063876.5及PCT/CN2009/070168),該反應(yīng)器既保留了厭氧折流板工藝在廢水處理中的優(yōu)勢(shì),又可進(jìn)行電能的生產(chǎn),提高了回收的經(jīng)濟(jì)效益。 構(gòu)建了BTAMFC的基本構(gòu)型——單格室BTAMFC(Single-compartment BTAMFC,SBTAMFC)�？疾炝岁�(yáng)極結(jié)構(gòu)對(duì)SBTAMFC的影響,三維立體陽(yáng)極結(jié)構(gòu)更有利于體系的產(chǎn)能與廢水的去除。與碳板陽(yáng)極BTAMFC相比,三維立體陽(yáng)極BTAMFC總內(nèi)阻由原來(lái)的19.8?降低為12.1?,最大功率密度升高至582.4 mW/m2, COD去除率也從47%增加至88%。對(duì)比了連續(xù)流與間歇流運(yùn)行方式,連續(xù)流運(yùn)行方式有效地提高了體系的產(chǎn)電性能。間歇流運(yùn)行BTAMFC的總內(nèi)阻增加了7.4?,功率密度降低至407.1mW/m2,COD去除率變化不明顯。 考察了分格數(shù)對(duì)BTAMFC的影響,將單室BTAMFC構(gòu)建成雙室BTAMFC(dual-compartment BTAMFC, DBTAMFC),不僅增大了輸出電能,還增加了體系對(duì)廢水的去除能力。以1g/L葡萄糖為底物,當(dāng)HRT=6h時(shí),最大功率密度為15.2 W/m3,COD去除率為88%,內(nèi)阻為13.7?。隨著進(jìn)水負(fù)荷從4.11 kg COD/ (m~3 NAC·d)升高至16.0 kg COD/ (m~3 NAC·d)時(shí),COD去除率從88%降低至70%。在此過(guò)程中,電池的內(nèi)阻變化不大,始終低于15?;當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷為9.60 kg COD/ (m~3 NAC·d)(HRT=2.5h)時(shí),擁有最大輸出功率密度(20.8 W/m3);最大庫(kù)倫效率(48%)在6.96 kg COD/ (m~3 NAC·d)(HRT=3.5h)時(shí)獲得,因此該體系最佳的水力停留時(shí)間范圍為2.5-3.5h。考察了長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)電池性能的影響,結(jié)果顯示,電池經(jīng)過(guò)10個(gè)月的穩(wěn)定運(yùn)行,仍保持較高的電能輸出及COD去除率,輸出電壓降低了6.4%,最大功率密度降低為原來(lái)的48.4%,但仍能輸出7.9W/m3的電能, COD去除率由原來(lái)的88%升高至90%。進(jìn)一步說(shuō)明DBTAMFC體系的穩(wěn)定性較好,適合于長(zhǎng)期運(yùn)行,電池的壽命至少在10個(gè)月以上。 進(jìn)一步增加分格數(shù),優(yōu)化BTAMFC的產(chǎn)電性能及廢水處理效果。由雙格室DBTAMFC增加成五格室BTAMFC ( Five-compartment BTAMFC ,FBTAMFC),體積增大了4.5倍。進(jìn)水葡萄糖濃度為5 g/L,與DBTAMFC相比,各個(gè)格室在1000?下輸出的電壓并未改變,總輸出功率從DBTAMFC的20.8 W/m~3提高至54.7 W/m3,總COD去除率為86%。各個(gè)格室的歐姆內(nèi)阻相同,但源于電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻及擴(kuò)散內(nèi)阻的差異使得總內(nèi)阻相差不到1?(12-13?),說(shuō)明了BTAMFC的內(nèi)阻不會(huì)隨著格室數(shù)的增加而增大,為BTAMFC分格數(shù)進(jìn)一步增加提供了參考數(shù)據(jù)。除第一格室內(nèi)阻外,其余各格室內(nèi)阻均小于DBTAMFC。各格室按從前至后的順序COD去除率分別為67%、25%、32%、3.5%和11%,揭示了BTAMFC體系一個(gè)普遍的規(guī)律,即第一個(gè)格室主要偏向于廢水處理,超過(guò)50%以上的進(jìn)水COD在此格室內(nèi)得以去除。五格室BTAMFC在無(wú)回流時(shí),各格室的最大功率密度均降低,總功率密度降低了13.6 W/m3,但總COD去除率由原來(lái)的86%升高至94%。雖然損失了部分電能,但節(jié)省了投資與運(yùn)行費(fèi)用,提高了廢水處理效果。增加底物濃度(由5g/L增至10g/L)大大降低了第一、三格室的產(chǎn)電性能使得10g/L時(shí)總功率密度降低了33.9 W/m3,但COD去除率保持在94%。 將秸稈纖維素燃料乙醇洗液廢水稀釋后直接用于DBTAMFC中產(chǎn)電,最大輸出功率密度為10.7 W/m3, COD去除率達(dá)89.1%,并伴有脫色效果。首次將秸稈纖維素燃料乙醇醪液廢水直接應(yīng)用于FBTAMFC產(chǎn)電,總功率密度為20.8 W/m3,COD去除率為95%。首次將BTAMFC工藝與CSTR(產(chǎn)酸相)、EGS(產(chǎn)甲烷相)及SBR反應(yīng)器(好氧段)的廢水處理工藝聯(lián)合應(yīng)用,將秸稈纖維素燃料乙醇醪液廢水SBR工藝段出水作為單室BTAMFC底物產(chǎn)電,電壓由412mV降低至296mV,最大功率密度為2.7W/m3,出水COD可達(dá)96mg/L,去除率為72%,出水色度明顯下降,為MFC工藝在廢水領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用提供了新的方法。綜上所述,BTAMFC可直接應(yīng)用于處理高濃度高負(fù)荷的有機(jī)工業(yè)廢水中,且具有一定的脫色效果及抗負(fù)荷及毒物沖擊的特性。
【圖文】：

圖 1-1 厭氧折流板反應(yīng)器示意圖Figure 1-1 schematic diagram of Anaerobic Baffled ReactorABR 工藝可在低 HRT 下處理高負(fù)荷的廢水，并能取得很好的處理效果achaiyasit[20]等人的研究數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)負(fù)荷從 3.5 kg COD/m3·d 提高至 28 OD/m3·d 時(shí)，，去除率一直穩(wěn)定于 80%。Stuckey[21]研究顯示 HRT 為 10 h 時(shí)

物的變化過(guò)程。研究證實(shí)大多數(shù)葡萄糖先發(fā)酵生成乙酸和氫氣，而后乙酸與氫氣作為底物在微生物催化下產(chǎn)生電能，對(duì)于混菌體系來(lái)說(shuō)，葡萄糖直接被氧化的反應(yīng)并不是體系產(chǎn)電的主要途徑。圖 1-3 為根據(jù)研究所得數(shù)據(jù)繪制的電子流途徑示意圖，圖中數(shù)據(jù)表明陽(yáng)極氫氣的氧化反應(yīng)為產(chǎn)電的主要途徑。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類(lèi)號(hào)】：X703.1

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本文編號(hào)：2698518