微生物燃料电池技术处理炼油废水同步产电及系统内协同作用与代谢特征研究

发布时间：2019-09-10 15:55

【摘要】：炼油污水是来自石油炼制行业一类特殊的污水，含有大量生物有害污染物，其排放量随着石油开采行业的发展而逐年攀升。传统炼油污水处理过程需消耗大量能量，且在生物氧化过程中，微生物转化后的大量能量均以热能的形式耗散，无法回收利用，已无法满足时代发展的需求。微生物燃料电池（MFC）可在污水处理的同时，直接将化学能转化为电能回收利用，因此本文以炼油污水为研究对象，组建MFC，探索以MFC技术同步处理炼油废水并回收能量的可行性，全面考察各结构与运行参数对炼油废水MFC性能的影响，系统分析电池阳极富集的优势微生物群落结构，并利用分离纯化出的单菌株优势微生物开展炼油废水MFC内微生物协同作用与代谢特征的实验研究，初步探讨MFC内电子传递机制。以上研究取得的成果主要包括：（1）单室及双室MFC皆可利用炼油废水为底物产电，且双室MFC的产电及降解性能明显优于单室MFC，其最高输出电压可达268mV，油类污染物最高去除率可达81.8±3%，但炼油废水MFC的库伦效率较低，仅为2.5%-3.0%。（2）除阴极面积外，接种液、外接电阻、电导率、pH值、缓冲强度、阳极浓度、阴极浓度、阴极液种类等基础参数均可影响电池产电性能。为实现较好的产电性能，需使用较高的外接电阻，维持较高的阳极电导率、阳极缓冲强度、阳极浓度、阴极浓度和偏碱性的阳极pH值等。（3）填料性质可严重影响炼油废水MFC的产电及污水处理性能。填料导电性越好，电池产电性能越好（305mV），欧姆内阻越低（446Ω），阳极富集微生物群落多样性越高，，阳极极化现象越弱，且电池对炼油废水处理效果越好；填料吸附性能越好，表观内阻越低（957Ω）；电池稳定性越好；填料性质可直接影响石油污染物在电池内的降解规律，无填料时，烃类物质优先被降解，以吸附性较强的物质为填料时，芳烃类及挥发酚类物质优先被降解。石墨填料电池内，微生物代谢产生的电子主要通过石墨本身传递至电极，而活性炭填料电池内，由于活性炭导电性差，微生物会衍生纳米导线形成网状结构传递电子。（4）在炼油废水MFC内，微杆菌、类芽孢杆菌及异常球菌间存在微生物协同拮抗作用，类芽孢杆菌与异常球菌间的确存在微生物协同作用，而微杆菌会抑制类芽孢杆菌及异常球菌的产电及代谢性能，且其对类芽孢杆菌的抑制作用明显高于异常球菌，微杆菌对类芽孢杆菌与异常球菌的抑制作用明显强于此二株菌间的协同作用。这是因为微杆菌、类芽孢杆菌及异常球菌的污染物代谢功能不同。
【图文】：

示意图,微生物燃料电池,双室,示意图

中国石油大学（北京）博士学位论文闭合回路，将化学能转化，产生电压，释放电能，细胞以动所需的能量[3]。以醋酸为底物时，微生物燃料电池阴阳极示[13]。极反应： CH COO 2HO 2CO 7H 8e322极反应： HeOHO224 4 2

示意图,电子传递,代谢产物,微生物

A. 利用呼吸产物 B. 利用发酵产物 C. 利用次级代谢产物图2.5 微生物利用代谢产物进行电子传递示意图[43]Fig. 2.5 Schematic of mechanism for microorganisms to transfer electrons by metabolins[43]然而，随着生物分析技术的进步，微生物燃料电池内胞外产电菌的多样性要远高于预测水平，因此，仍需进一步开展研究，深入探索电池内由微生物菌体至电极的电子传递机制[3]。2.3.3 MFC 中内阻的分布目前，微生物燃料电池相关研究工作均处于实验室研发阶段，无法达到实际工业化应用标准，而限制该技术工业化应用的关键因素是电池的输出功率较低，无法满足工业化应用的要求。因此，如何提高电池功率输出性能并降低电池能量内耗是众多研究者关注的热点[49,50]。内阻是影响微生物燃料电池功率输出的主要因素之一，内阻越大，电池自身损耗电能越多，相应的，输出功率越低[51]。根据物理学原理，当电路外电阻与内电阻数值一致时，电池输出功率达到最大[52]。微生物燃料电池的内阻由欧姆内阻、传质内阻及活化内阻构成
【学位授予单位】：中国石油大学（北京）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM911.45;X742

【参考文献】