湿地植物—沉积物微生物燃料电池产电及底泥修复研究

发布时间：2017-09-24 13:17

  本文关键词：湿地植物—沉积物微生物燃料电池产电及底泥修复研究

  更多相关文章： 湿地植物-微生物燃料电池 产电 底泥修复 重金属

【摘要】：本研究以受污染的城市黑臭河涌底泥为底质,构建了两种湿地植物-沉积物微生物燃料电池(PSM1、PSM2)与一种无植物的沉积物微生物燃料电池(SM),并构建两种植物沉积物模拟湿地非产电系统(PS1、PS2)的做对照,以此来研究该系统的产电特性、系统运行期间受污染底泥有机质的降解效果及氮磷的迁移转化规律;系统对底泥中As、Zn、Cd的迁移转化影响及As的形态变化的影响;阳极生物膜微生物群落的多样性。主要研究结果如下:(1)在系统运行的200天内,三个P-SMFCs处理组均能维持较稳定的产电,输出最大电压分别达到PSM1处理组(0.69V)、SM处理组(0.63V)、PSM2处理组(0.66V),输出平均电压分别为PSM1处理组(0.32V)、SM处理组(0.24V)、PSM2处理组(0.28V)。三个处理组PSM1、SM和PSM2的内阻分别为602Ω、498Ω和636Ω,最大输出功率密度分别为10.74mW/m2、7.90mW/m2和10.05mW/m2。结果显示,产电系统中植物存在输出最大电压略有增大,平均电压显著增大;最大输出功率密度明显提高,植物的存在会增大系统的内阻。(2)P-SMFC系统中电极和植物的引入均对底泥有机质的降解有显著的促进作用,系统在运行的200天内有机质降低量分别为PSM1处理组(19.25%)、SM处理组(13.57%)、PSM2处理组(15.38%)、PS1处理组(8.70%)、PS2处理组(4.78%)。系统运行前64天,PSM1和PSM2处理组氨氮含量显著低于其他三个处理组,之后随着运行时间的延长,各处理组之间的变化差异性不大。五个处理组底泥中氨氮去除率均达到80%以上,分别为PSM1处理组83.67%、SM处理组81.28%、PSM1处理组83.79%、PS1处理组85.94%、PS2处理组84.62%。系统整个运行过程中,各处理组硝氮含量在同一时间内无显著性差异,电极的引入及产电过程对底泥中硝氮的去除没有产生显著影响;P-SMFC电极的存在抑制了磷的迁移,促进了磷在底泥中的稳定。(3)产电过程和植物的引入有助于底泥中As、Zn、Cd的稳定,能够减缓底泥中As、Zn、Cd向上覆水中的释放。且离阳极越远,阳极对底泥中As、Zn、Cd的影响越弱。电极产电过程影响重金属生物有效性从而影响了植物对底泥中As、Zn、Cd的吸收。阳极产电能够改变底泥中砷的形态从而影响其向上覆水中释放的速度,有助于底泥中砷的稳定,但其对弱酸提取态砷及可还原态砷影响较小。随着底泥至阳极距离的增大,电极对底泥中各种As形态的影响越弱。另一方面,系统中植物的引入增加了弱酸可提取态砷的吸收,能降低活性强的弱酸提取态砷的含量。(4)植物的存在有助于阳极生物膜细菌微生物的生长及细菌群落多样性的增加。在门水平的细菌分类分析中,各处理组都以Proteobacteria变形菌门为优势菌种。风车草的引入显著增加了系统中Nitrospirae硝化螺旋菌门及GOUTA19菌属的数量。在属水平细菌分类分析中,三个处理组均以Geobacter的相对丰度最高,为优势菌种。植物的引入及不同植物之间均会对微生物燃料电池系统中的微生物群落结构产生影响。进一步聚类分析发现,PSM1、SM、PSM2处理组之间的微生物群落结构差异较大,不同植物种类会对阳极生物膜微生物群落结构产生不同影响。(5)系统中风车草和短叶茳芏的引入对阳极古菌群落结构产生了显著影响。各处理组古菌群落丰度的顺序为:PSM1处理组SM处理组PSM2处理组,风车草的存在有助于阳极生物膜上古菌的生长,而短叶茳芏则会抑制古菌的生长。另一方面,植物的引入有助于系统中古菌群落多样性的增加,且风车草相比短叶茳芏而言,更能增加系统的古菌群落的多样性。在门水平的古菌群落分类中,三个处理组中都以Euryarchaeota广古菌门的相对丰度最高,为优势菌种。古菌在属水平的群落分类中,三个处理组均以Methanosaeta为优势菌种,其相对丰度最高分别达到PSM1处理组21.43%、SM处理组25.00%、PSM2处理组23.16%。且在已检测出的基因序列中,只有少部分氨氧化类古菌的序列,其余序列都为产甲烷类古菌序列,其相对丰度总和达到30%以上。三个处理组中古菌群落结构各自不同,微生物群落结构差异较大。
【关键词】：湿地植物-微生物燃料电池 产电 底泥修复 重金属
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.45
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstact7-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 水体底泥污染现状及修复技术14-17
• 1.2.1 水体底泥污染现状14-16
• 1.2.2 水体底泥修复技术16-17
• 1.3 微生物燃料电池17-22
• 1.3.1 微生物燃料电池的发展简史17-18
• 1.3.2 微生物燃料电池的原理及应用18-20
• 1.3.3 植物-沉积物微生物燃料电池（P-SMFC）的研究进展20-22
• 1.4 研究目的与意义22
• 1.5 研究内容与技术路线22-25
• 1.5.1 研究内容22-24
• 1.5.2 技术路线24-25
• 第二章 材料与方法25-32
• 2.1 实验材料25-26
• 2.1.1 植物及底质25
• 2.1.2 阴阳极材料25-26
• 2.1.3 阴极溶液的配制26
• 2.2 植物-底质微生物燃料电池（P-SMFC）实验装置26
• 2.3 P-SMFC电化学性能分析方法26-27
• 2.3.1 电压26-27
• 2.3.2 电流密度27
• 2.3.3 功率密度27
• 2.3.4 极化曲线27
• 2.3.5 系统内阻27
• 2.4 底质指标分析方法27-29
• 2.4.1 理化性质的测定27-28
• 2.4.2 底泥重金属全量的测定28
• 2.4.3 底泥重金属形态分析28-29
• 2.4.4 植物重金属含量测定29
• 2.5 水质指标分析方法29-30
• 2.6 微生物群落多样性的测定方法30-31
• 2.7 数据处理分析方法31-32
• 第三章 P-SMFC产电特性研究32-37
• 3.1 P-SMFC的产电特性32-35
• 3.2 P-SMFC的极化曲线与功率密度35-36
• 3.3 本章小结36-37
• 第四章 P-SMFC对底泥中氮磷污染物的修复效果研究37-44
• 4.1 P-SMFC系统中有机质的降解特性38-39
• 4.2 P-SMFC系统中氮的迁移转化39-42
• 4.3 P-SMFC系统中磷的迁移转化42-43
• 4.4 本章小结43-44
• 第五章 P-SMFC对底泥中重金属迁移转化的影响研究44-54
• 5.1 P-SMFC系统对底泥中As含量及形态变化的影响44-48
• 5.1.1 P-SMFC系统对底泥中As含量变化的影响44-46
• 5.1.2 P-SMFC系统对底泥中As形态的影响46-48
• 5.2 P-SMFC系统对底泥中Zn含量变化的影响48-49
• 5.3 P-SMFC系统对底泥中Cd含量变化的影响49-51
• 5.4 P-SMFC系统对植物体内重金属含量的影响51-52
• 5.5 本章小结52-54
• 第六章 P-SMFC中阳极微生物群落多样性研究54-67
• 6.1 细菌54-60
• 6.1.1 α 多样性指数分析54-55
• 6.1.2 细菌群落分类分析55-57
• 6.1.3 PCA主成分分析57-58
• 6.1.4 物种热图分析58-60
• 6.2 古菌60-65
• 6.2.1 α 多样性指数分析60-61
• 6.2.2 古菌群落分类分析61-63
• 6.2.3 PCA主成分分析63-64
• 6.2.4 物种热图分析64-65
• 6.3 本章小结65-67
• 第七章 结论与展望67-70
• 7.1 结论67-68
• 7.2 展望68-70
• 参考文献70-81
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果81-82
• 致谢82-83
• Ⅳ-2答辩委员会对论文的评定意见83

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