發(fā)布時(shí)間：2020-10-25 19:05

　　 當(dāng)今全球范圍內(nèi)不得不同時(shí)面對(duì)能源問(wèn)題與環(huán)境問(wèn)題,如何將二者兼顧是當(dāng)前環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科的重要研究方向之一,同時(shí)如何突破現(xiàn)有方式和手段的局限性并發(fā)展新的技術(shù)則是本領(lǐng)域?qū)W科交叉和前沿性的發(fā)展趨勢(shì)和要求。針對(duì)有機(jī)廢水處理能源化,微生物電解電池(MEC)是國(guó)際上最近幾年提出并迅速發(fā)展的新技術(shù),在較小的輔助電壓下借助具有電子傳遞功能的微生物可以有效的處理多種有機(jī)質(zhì)并獲得氫氣,功能上兼顧廢水處理和清潔能源開(kāi)發(fā)的雙重需求。本文針對(duì)提高M(jìn)EC反應(yīng)器的廢水處理和產(chǎn)氫能力,從反應(yīng)器構(gòu)造改進(jìn)與優(yōu)化等方面開(kāi)展分析研究,并采用單鏈異構(gòu)多肽性技術(shù)對(duì)電極功能菌群進(jìn)行分析;探索單極室MEC反應(yīng)器中產(chǎn)甲烷對(duì)產(chǎn)氫過(guò)程的競(jìng)爭(zhēng)性影響,并提出控制方法;采用高通量基因芯片技術(shù)分析不同啟動(dòng)模式對(duì)反應(yīng)器效能的影響,解析反應(yīng)器效能與功能菌群結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系,并試圖揭示反應(yīng)器中功能菌群的微生物生態(tài)學(xué)規(guī)律。 針對(duì)雙極室MEC反應(yīng)器,通過(guò)對(duì)反應(yīng)器構(gòu)造改進(jìn),逐步提高了系統(tǒng)廢水處理能力和產(chǎn)氫能力,同時(shí),提出以陽(yáng)極電極電勢(shì)指示和分析產(chǎn)氫過(guò)程的思路。將雙極室反應(yīng)器電極距離壓縮70%,質(zhì)子交換膜面積增大一倍,發(fā)現(xiàn)體系內(nèi)阻降低了62%,電子傳遞庫(kù)侖效率從56%增加到70%,采用普通活性炭為填料提高陽(yáng)極室比表面積后庫(kù)侖效率進(jìn)一步提高到80%。氫氣的轉(zhuǎn)化率從最初的0.5 mol/mol乙酸鹽提高到1.4 mol/mol乙酸鹽,依據(jù)消耗電能核算獲得氫氣能量的能量效率從60%提高到110%左右。以微生物陽(yáng)極電勢(shì)作為MEC工藝運(yùn)行指示參數(shù)的方法,研究結(jié)果表明,陽(yáng)極電極電勢(shì)低于-200 mV(氯化銀參比電極)時(shí)體系產(chǎn)氫,陽(yáng)極室pH值6.0~7.0以及底物濃度不低于50 mg·L-1可以保持持續(xù)產(chǎn)氫。同時(shí),懸浮液功能菌的存在對(duì)降低體系電子傳遞阻力和維持產(chǎn)氫低電極電勢(shì)有積極作用。 采用單鏈異構(gòu)多肽性技術(shù)分析雙極室MEC反應(yīng)器陽(yáng)極生物膜群落,發(fā)現(xiàn)Pseudomonas為代表的細(xì)胞外電子傳遞功能菌,而其他眾多優(yōu)勢(shì)菌不具備電子傳遞相關(guān)功能。通過(guò)反應(yīng)器中菌群分布分析,懸浮液菌群構(gòu)成可以反映生物膜群落結(jié)構(gòu),但是在數(shù)量構(gòu)成和比例上有所不同;質(zhì)子交換膜在陽(yáng)極室一側(cè)會(huì)生成生物膜,但數(shù)量和種類(lèi)十分有限,這些菌功能上不與消耗氫氣或者利用電子相關(guān)。分析認(rèn)為,陽(yáng)極室內(nèi)非電子傳遞功能菌是導(dǎo)致體系庫(kù)侖效率降低的原因。但是以陽(yáng)極生物膜啟動(dòng)新反應(yīng)器時(shí),菌群競(jìng)爭(zhēng)并沒(méi)有導(dǎo)致電子傳遞功能菌優(yōu)勢(shì)擴(kuò)大,初步認(rèn)為電子傳遞功能菌與其他優(yōu)勢(shì)菌群并不是對(duì)立和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。 采用構(gòu)造改進(jìn)的單極室MEC反應(yīng)器,可以獲得更高的處理效率和能量效率,但是產(chǎn)甲烷現(xiàn)象不可避免并造成氫氣收益損失。在0.5 V以上電壓條件下,COD去除率和庫(kù)侖效率可達(dá)90%以上,氫氣產(chǎn)率為3.0 mol /mol乙酸鹽,能量效率可以達(dá)到180%左右。針對(duì)MEC運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)甲烷導(dǎo)致氫氣損失的問(wèn)題,在以氫氣消耗產(chǎn)甲烷為主要途徑的分析上,提出了增高外加電壓促使氫氣產(chǎn)生速率提高和抑制產(chǎn)甲烷的可能性。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)電壓低于0.4 V時(shí)最終氣體產(chǎn)物中甲烷含量可以高達(dá)10%以上,當(dāng)提高到0.6 V以上時(shí)可以將甲烷含量控制在4%以下。 通過(guò)對(duì)單極室MEC不同啟動(dòng)模式下的生物膜菌群功能基因結(jié)構(gòu)分析,發(fā)現(xiàn)直接外加電壓的MEC產(chǎn)氫啟動(dòng)反應(yīng)器在庫(kù)侖效率和產(chǎn)氫收率上具有優(yōu)勢(shì)。分析發(fā)現(xiàn),增高外加電壓可以對(duì)部分碳降解和與金屬耐受性相關(guān)功能基因表達(dá)起到促進(jìn)作用。MEC產(chǎn)氫啟動(dòng)在較高外加電壓下,反應(yīng)器效果最好,其基于細(xì)胞色素基因的電子傳遞功能菌構(gòu)成更豐富,Pseudomonas菌類(lèi)信號(hào)最強(qiáng)。在底物降解上,以乙酸鹽為單一碳源能夠形成功能豐富的微生物群落,涉及十多個(gè)方面的物質(zhì)代謝和元素循環(huán)過(guò)程,體系具備降解復(fù)雜底物的能力,如纖維素等。由此推測(cè),在處理有機(jī)質(zhì)時(shí)不同功能菌間存在著密切協(xié)作關(guān)系。以反應(yīng)器效能參數(shù)(庫(kù)侖效率,COD去除率,氣體產(chǎn)物H2、CH4和CO2)作為環(huán)境因子,對(duì)菌群功能基因結(jié)構(gòu)影響分析,結(jié)果表明庫(kù)侖效率與底物去除與群落功能影響最密切,而氫氣與甲烷產(chǎn)物并不是顯著關(guān)聯(lián)因素。 對(duì)微生物電解電池體系功能差異在菌群結(jié)構(gòu)上的影響進(jìn)行分析,借鑒微生物生態(tài)學(xué)理論的群落多穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象對(duì)電極微生物群落差異對(duì)反應(yīng)器效能的決定性差異進(jìn)行闡釋。在相同的操作條件和運(yùn)行環(huán)境下電極微生物菌群在MEC反應(yīng)器中馴化過(guò)程存在一定隨機(jī)性,驗(yàn)證了不同結(jié)構(gòu)的微生物群落與反應(yīng)器效能差異存在對(duì)應(yīng)性。通過(guò)典型相關(guān)性分析方法驗(yàn)證了反應(yīng)器效能(能源氣體產(chǎn)物,氫氣、甲烷等)與群落結(jié)構(gòu)存在著顯著對(duì)應(yīng)關(guān)系,研究結(jié)果進(jìn)一步揭示不同的群落功能對(duì)反應(yīng)器的氣體產(chǎn)物成分差異產(chǎn)生決定性影響。作為MEC中微生物群落機(jī)理理論研究的初步探索,為構(gòu)建和調(diào)控高效的功能菌群并應(yīng)用于廢水處理提供指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類(lèi)】：X703.1
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒 論
    1.1 課題來(lái)源
    1.2 有機(jī)廢水厭氧處理生物制氫技術(shù)
        1.2.1 氫能源與有機(jī)質(zhì)處理能源化
        1.2.2 暗發(fā)酵生物制氫與底物利用局限性
        1.2.3 光發(fā)酵生物制氫及其限制因素
        1.2.4 暗發(fā)酵與光發(fā)酵產(chǎn)氫耦合技術(shù)及存在問(wèn)題
    1.3 微生物電解電池（MEC）產(chǎn)氫與有機(jī)廢水能源回收
        1.3.1 MEC 產(chǎn)氫工作與反應(yīng)原理
        1.3.2 MEC 工藝與有機(jī)廢水處理產(chǎn)氫
        1.3.3 電子傳遞效率的提高與電子傳遞相關(guān)功能菌
    1.4 MEC 產(chǎn)氫面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)
        1.4.1 產(chǎn)甲烷對(duì)產(chǎn)氫氣的沖擊
        1.4.2 MEC 中微生物生態(tài)學(xué)規(guī)律尚待揭示
    1.5 本文的研究目的和主要研究?jī)?nèi)容
        1.5.1 本課題的研究目的
        1.5.2 主要研究?jī)?nèi)容
        1.5.3 研究技術(shù)路線(xiàn)
第2章 實(shí)驗(yàn)材料與方法
    2.1 實(shí)驗(yàn)裝置
        2.1.1 H 型雙極室MEC 反應(yīng)器
        2.1.2 改進(jìn)型cuboid 兩極室MEC 反應(yīng)器
        2.1.3 單極室MEC 反應(yīng)器
        2.1.4 材料預(yù)處理和制作
    2.2 MEC 反應(yīng)器模擬廢水制備
    2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)與功能分析
        2.3.1 樣品采集與保存
        2.3.2 群落結(jié)構(gòu)分析
        2.3.3 功能基因分析
    2.4 分析檢測(cè)方法和計(jì)算方法
        2.4.1 檢測(cè)方法
        2.4.2 庫(kù)侖效率計(jì)算
        2.4.3 電子還原效率計(jì)算
        2.4.4 氫氣轉(zhuǎn)化效率計(jì)算
        2.4.5 能量回收率計(jì)算
第3章 雙極室MEC 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)與產(chǎn)氫分析
    3.1 引言
    3.2 H 型雙極室MEC 反應(yīng)器的構(gòu)建與氫氣損失分析
        3.2.1 反應(yīng)器的啟動(dòng)與運(yùn)行效能
        3.2.2 氫氣損失分析
        3.2.3 H 型雙極室MEC 反應(yīng)器功能菌群的空間分布
    3.3 雙極室MEC 反應(yīng)器改進(jìn)
        3.3.1 反應(yīng)器內(nèi)阻影響因素與改進(jìn)分析
        3.3.2 反應(yīng)器改進(jìn)后的效能分析
    3.4 產(chǎn)氫過(guò)程微生物陽(yáng)極電極電勢(shì)（MAP）分析
        3.4.1 MAP 對(duì)產(chǎn)氫過(guò)程的指示作用
        3.4.2 產(chǎn)氫過(guò)程中MAP 的變化
        3.4.3 MAP 對(duì)陽(yáng)極室pH 值的指示
        3.4.4 MAP 對(duì)底物濃度的指示
        3.4.5 懸浮菌液對(duì)MAP 的影響
    3.5 接種方式對(duì)MEC 陽(yáng)極生物膜群落結(jié)構(gòu)的影響
        3.5.1 產(chǎn)電陽(yáng)極生物膜接種MEC 后群落變化分析
        3.5.2 產(chǎn)氫MEC 陽(yáng)極生物膜接種MEC 后菌群變化分析
    3.6 本章小結(jié)
第4章 單極室MEC 反應(yīng)器產(chǎn)氫運(yùn)行和菌群功能分析
    4.1 引言
    4.2 單極室MEC 產(chǎn)氫效能與產(chǎn)甲烷控制
        4.2.1 反應(yīng)器產(chǎn)氫效能和產(chǎn)甲烷分析
        4.2.2 單極室MEC 產(chǎn)甲烷主要途徑分析
        4.2.3 控制甲烷含量的調(diào)控對(duì)策
    4.3 單極室MEC 不同啟動(dòng)模式產(chǎn)氫分析
        4.3.1 不同啟動(dòng)模式下MEC 反應(yīng)器運(yùn)行效果
        4.3.2 基于功能基因分析啟動(dòng)條件對(duì)陽(yáng)極生物膜菌群影響
        4.3.3 基于細(xì)胞色素c 基因分析電子傳遞相關(guān)功能微生物
        4.3.4 MEC 中有助于電子傳遞相關(guān)的基因
        4.3.5 與底物降解相關(guān)的基因
        4.3.6 影響氫氣轉(zhuǎn)化率的其他相關(guān)功能基因
    4.4 單極室MEC 反應(yīng)器效能與菌群功能結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)
    4.5 本章小結(jié)
第5章 MEC 中陽(yáng)極微生物群落多穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象
    5.1 引言
    5.2 MEC 反應(yīng)器陽(yáng)極微生物群落多穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象
    5.3 MEC 反應(yīng)器不同效能狀態(tài)表現(xiàn)
        5.3.1 14 個(gè)平行反應(yīng)器的產(chǎn)氫運(yùn)行效能
        5.3.2 MEC 反應(yīng)器效能的穩(wěn)定性分析
        5.3.3 平行反應(yīng)器之間的狀態(tài)差異
    5.4 MEC 群落的多穩(wěn)定態(tài)與反應(yīng)器效能關(guān)系
    5.5 不同穩(wěn)態(tài)中電子傳遞相關(guān)陽(yáng)極微生物群落分析
    5.6 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果
致謝
個(gè)人簡(jiǎn)歷

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2855836