升流式微生物燃料电池—厌氧生物滤池耦合系统深度脱氮及运行工况研究

发布时间：2020-04-26 05:24

【摘要】：随着氮素的污染日益加剧和能源短缺问题的凸显,如何在进行废物资源回收的同时进行氮的去除是我们迫切需要解决的问题。本课题研究了反硝化过程的影响因素,并将微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)与厌氧生物滤池(Anaerobic Biofilter,AF)脱氮工艺进行耦合,弥补了常规生物脱氮工艺对碳源利用不充分的问题,提高了碳源的有效利用率和脱氮效率,分析了其反应机制和微生物群落结构,探讨了微生物燃料电池-厌氧生物滤池(Microbial Fuel Cell-Anaerobic Biofilter,MFC-AF)耦合系统实际应用的可能和经济效能,为MFC的实际应用提供理论基础和借鉴。通过分析反硝化过程中的碳源、pH、碳氮比三个影响反硝化的因素,得到了反硝化在利用乙酸钠为碳源时有着较高的硝态氮去除速率为v_a=10.1 mg/(L·h),乳酸钠的亚硝酸根富集最少仅为TN的5.6%。乙酸钠为碳源时,最适宜碳氮比为2:1,48 h去除93.4%的TN。最适合的反硝化pH范围在8左右,此时硝态氮去除速率可达30.08 mg/(L·h),TN去除率为97.36%,亚硝酸根只有少量累积且快速去除。利用构建的MFC-AF耦合反应器和单一AF反应器进行了反硝化和产电研究。在充足碳源的条件下,MFC-AF耦合反应器的最高输出电压为0.47 V左右,并且在电流密度为1.35 A/m~3时,达到最大输出功率为0.38 W/m~3,反应器内阻为200Ω。在0.6/0.3/0.15 g/L的乙酸钠碳源条件下,MFC-AF反应器的COD和TN的平均去除效果均优于单一AF反应器,尤其在低浓度碳源0.15 g/L的条件下,MFC-AF对COD利用率高达90.10%,脱氮率为75.67%,比AF反应器脱氮率高出16.05%,产生0.10 V左右的输出电压,由此可见MFC与厌氧生物滤池的耦合即可以提高单一厌氧生物滤池的脱氮效率,也可提高碳源的利用率。为研究MFC-AF的最佳产电效率,对碳源浓度进行优化,优化后的碳源浓度为0.24 g/L,COD平均去除率为去除率为87.60%,TN去除率为86.91%,输出电压稳定在0.35 V,库伦效率为8.66%,与模拟值8.88%近似。对两个反应器进行微生物群落结构分析,发现MFC-AF反应器的微生物群落的丰度优于AF反应器,且不同位置的群落结构差异明显,耦合反应器中主要的微生物有Azospira sp.、Trichococcus sp.、Nitrospira sp.、Dechloromonas sp.、Flavobacterium sp.、Terrimonas sp.、Geobacter sp.等,其中Trichococcus sp.、Geobacter sp.和Flavobacterium sp.已有文献表明可具有胞外电子转移的能力,Azospira sp.、Dechloromonas sp.、Nitrospira sp.和Terrimonas sp.已被证实具有脱氮反硝化的能力。RDA/CCA显示出环境因子COD和Nitrate之间呈现正相关性,COD和Nitrate与pH均呈现负相关性,两个反应器在滤层底部的生物样差别最大。MFC-AF的八个生物样中的五个都与Nitrate呈现出正相关,而AF反应器仅有两个,说明反硝化菌群在MFC-AF中整体分布更加广泛,反硝化能力更强。最后对MFC-AF耦合反应系统的实际应用做了一些初步讨论和经济效能分析,若将MFC-AF应用于深度脱氮工艺(以乙酸钠为外加碳源),则运行成本为0.2586元/吨污水,回收电能约为35.77万元/年(处理规模3.0万吨/d)。外加碳源费是运行成本的主要构成。
【图文】：

反应器,构型,厌氧生物滤池

径和脱氮过程的电子接受量，分析乙酸钠的有效AF 反应器的生物菌落结构。对长期运行的反应器不A 高通量测序分析，解析不同区域的主导微生物种群进行分析。是 MFC-AF 实际应用讨论和经济效能分析。为了给应用提供更多的借鉴，我们对其实际应用的可能方论和估算。置两个反应器，一个是微生物燃料电池-厌氧生物滤池一个是厌氧生物滤池（AF）反应器（AF）。MFC-A阴极，，以整个石墨颗粒滤层为阳极。两个反应器均相同，如图 2-1。总容积 2.785 L，阳极反应区体积L，阴阳极之间的距离 40 mm，体积 0.36 L，反应器m，在反应区自上而下均匀设置 4 个取样孔，用于在运水速率为 1.18 mL/min，HRT 为 24 h，回流比为 1:

优化函数,图像,去除效果,反应器

图 4-32 优化函数图像5.2 实验验证此阶段的碳源乙酸钠浓度为 240 mg/L，硝酸根浓度 100 mg/L，运行 30 证 MFC-AF 反应器的运行效果。.2.1 COD 去除效果研究反应器 COD 去除效果分别见图 4-33。140 144 148 152 156 160 164 168 1720255075100125150175200CDO（mgL/）进水出水中间
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.4

【参考文献】