微生物燃料电池处理含氮废水的研究

发布时间：2020-03-20 07:55

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)以电活性微生物作催化剂将蕴含在废水有机物中的化学能转变为电能,实现废水处理和产电的“双赢”,是一项极具前景的废水处理技术。当前,废水中除有机物外,通常还含有大量氮素,将MFC用于废水脱氮引起研究者的广泛关注。其中,合理构建MFC系统,在降低成本的同时兼顾污染物去除效果和产电效能是推动MFC在废水脱氮领域应用的关键。为此,优选去污产电性能高的低成本电极材料和开发有效的低成本MFC反应器十分必要。本研究首先基于三种不同的未改性、低成本碳基电极材料构建了反硝化MFC,评估电极材料对其性能的影响,优选了污染物去除效果好、产电效能高的电极材料,并通过电化学特性、微生物学特性及电极材料特性三个层次,探究了影响机理,为MFC在废水脱氮领域的应用提供电极材料选择的实验基础和理论支撑。其次,开发了一种新型硝化-反硝化一体式无膜MFC,使用挡板代替昂贵的离子交换膜、利用合理的反应腔室次序,并采用前述研究中优选的电极材料,通过考察污染物去除效果和产电效能、评估能量潜力及探究工作机理,为推动MFC在废水脱氮领域的应用奠定基础。主要研究结论如下:1、电极材料对反硝化微生物燃料电池性能的影响。三种不同的未改性、低成本二代碳基材料碳毡(carbon felt,CF)、颗粒活性炭(granular active carbon,GAC)和甘蔗炭(sugarcane carbon,SC)对反硝化MFC性能影响不同,其中CF性能最优。在序批式操作条件下,以CF为电极的MFC启动时间最短。稳定运行期间,在一个周期(72 h)内,仅有基于CF构建的MFC实现了对COD和硝酸盐的有效去除。在产电效能上,其最大功率密度达到8.516±0.111W/m3,分别是以GAC和SC为电极的MFC最大功率密度的15.9倍和1.3倍。电极极化行为和生物膜微观形态分析显示CF电极表面微生物生长状况最佳,电势损失最低。2、电极材料对反硝化微生物燃料电池性能影响的机理探究。CF阳极的电荷转移内阻Rct分别比GAC和SC低89.54%和75.21%,交换电流密度i0分别比GAC和SC高4.21倍和2.35倍;CF阴极的Rct分别比GAC和SC低88.85%和40.36%,i0分别比GAC和SC高5.39倍和1.49倍,说明CF电极的电荷转移内阻更低,电极动力学活性更强,氧化还原速率更快。阳极产电功能菌Geobacter、Desulfovibrio、Desulfuromonas 等和阴极自养反硝化功能菌 Thiobacillus、Geobacter等在电极表面的绝对数量为CFSCGAC,细胞色素C含量次序同上,说明CF电极的微生物活性更强。通过电化学特性、微生物学特性及电极材料特性三个层次的分析,推测电极材料理化性质影响微生物性能,进而影响电极电化学活性,从而导致MFC性能差异。具体来看,开放式大孔三维结构、表面较高的疏水性、元素组成中含一定量N元素及较低Zata电位绝对值促进了微生物在电极材料表面附着,提高生物量,较高的导电性又促进了电活性微生物和电极之间的界面电子传递,使电活性微生物占比提高,微生物活性增强;良好的微生物性能降低了电荷转移内阻,提高了电极动力学活性;增强的电极电化学活性使MFC的去污产电性能提升。3、新型硝化-反硝化一体式无膜微生物燃料电池的开发及性能研究。在连接750 Ω外阻,水力停留时间为24 h的连续式运行条件下处理COD浓度为855± 15.03 mg/L、NH4+-N 浓度为 45.73±2.46 mg/L、TN 浓度为 46.337±2.583 mg/L的模拟废水,实现COD、NH4+-N和TN的去除率分别达到97.07±0.47%、91.76±3.32%和87.66±1.59%,主要监测指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准。在近6个月的实验周期内反应器维持稳定运行,最大功率密度达到1.007±0.032W/m3,具有一定的能量潜能。随着反应器运行,阳极产电功能菌Desulfovibrio和Comamonas以及阴极自养反硝化功能菌Thiobacillus占比分别提升73.91%、38.17倍和14.6倍。该反应器主要通过阳极的厌氧水解和电化学反应,硝化室的硝化和异养反硝化反应,以及阴极的自养反硝化和异养反硝化反应实现同步除碳、脱氮和产电。
【图文】：

示意图,双室,经典,原理

１．２．１邋ＭＦＣ工作原理逡逑经典的双室ＭＦＣ结构主要由阳极室、阴极室、分隔材料及外电路组成［３］，逡逑其工作原理如图１－１所示。在厌氧条件下，附着在阳极表面的电活性微生物降解逡逑有机物质，释放质子和电子，质子通过分隔材料（一般为质子交换膜）进入阴极逡逑１逡逑

细胞色素,导电性,电活性,蛋白

但丧失导电性，因此５１邋ｃｗｅＷｅｎｓｈＭＲ－ｌ中纳米导线的导电性是由附着逡逑在其表面的细胞色素Ｃ蛋白引起，而非其自身的导电性［３３１。以Ｇｓｗ诉逡逑为例，图１－３诠释了它与电极之间的直接电子传递机制［３４］，并列出可能参与直接逡逑ＥＥＴ的色素蛋白，，但具体作用仍需探讨。逡逑４逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.4

【参考文献】