SMFC-SMEC耦合系统去除废水中铜与镍离子的研究
本文关键词：SMFC-SMEC耦合系统去除废水中铜与镍离子的研究 出处：《哈尔滨工业大学》2015年硕士论文 论文类型：学位论文
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【摘要】：目前重金属污染已然成为当前环境污染的重要问题之一,在废水中存在着多种多样的重金属离子及有机物质,微生物电化学系统(BES)结合了微生物和电化学反应的优点可以高效地降解有机物及还原去除重金属,可以更好地实现了能源的有效利用及污染物的去除,较其他重金属处理处置技术具有许多优势。对于重金属的还原去除,诸多的研究集中于双室BES处理重金属废水。因此本文主要研究了单室微生物燃料电池(SMFC)和单室微生物电解池(SMEC)及二者耦合系统对重金属(Cu(II)和Ni(II))的去除效果。本论文首先通过SMFC和SMEC处理单一重金属废水(Cu(II)和Ni(II)),优化了其环境条件(重金属浓度、初始p H、外加电阻、外加电压等)对重金属去除的影响。对于SMFC处理含铜模拟废水,对Cu(II)的最大耐受浓度为12.5mg/L,酸性(p H6.0)和高电流密度(500Ω)条件下利于Cu(II)的还原,形成单质沉积物。SMEC处理含镍废水具有相似规律,在最适外加电压0.7V下Ni(II)的最大耐受浓度为12.5mg/L,在中性环境(p H7.0)条件和较高浓度PBS(100m M)下更适合Ni(II)的去除。其次,采用并联模式进行SMFC与SMEC的耦合,电压能够稳定且可以实现对重金属(Cu(II)和Ni(II))的有效去除。在并联连接方式下考察了SMFC数量和外电阻对输出电压和重金属去除率的影响,2个SMFCs并联耦合SMEC可以提高系统电能的输出及Ni(II的)去除率;Ni2+的去除率和输出电压较150Ω时分别提高了51.4%和58.6%,铜的去除率相略微增加。在高电阻下具有相似规律,输出电压从0.230V(150Ω)提高到0.300V(300Ω),Ni(II)和Cu(II)的去除率分别提高了48.8%和7.3%。增加SMFC反应器数量和提高外电阻可以促进耦合系统的电压输出及重金属的去除。最后,采用平行因子法分析了BESs中Cu(II)和Ni(II)的去除途径,得出重金属的去除主要通过通过材料吸附,微生物作用。通过SEM-EDS和XPS分析,Cu(II)和Ni(II)还原为单质或低价物质,其还原物主要形成颗粒物沉积于阴极表面。Illumina高通量测序显示,SMFC和SMEC阳极功能微生物主要为Geobacter.sp,阴极微生物复杂多变。在SMFC中,阴极微生物优势菌门为Proteobacteria和Synergistetes,随着Cu(II)浓度的增加,阴极微生物结构与数量变化明显,菌属Ochrobactrum sp.和Azospirillum sp.有利于产电及Cu(II)的去除。对于Ni(II)的去除,优势菌主要集中于菌门Proteobacteria和Bacteroidetes,菌属Ochrobactrum sp.、Acetoanaerobium sp.、Dokdonella sp.和Azospirillum sp.促进了Ni(II)的还原,综合分析了阳极与阴极微生物的互作关系。
[Abstract]:At present, heavy metal pollution has become one of the important problems of environmental pollution. There are a variety of heavy metal ions and organic substances in wastewater. The microbial electrochemical system (BES) combines the advantages of microorganism and electrochemical reaction to efficiently degrade organic matter and reduce heavy metals, which can better realize the efficient utilization of energy and the removal of pollutants. Compared with other heavy metal treatment and disposal technology, it has many advantages. Many researches have been focused on the treatment of heavy metal wastewater by two-chamber BES. Therefore, the single-chamber microbial fuel cell (SMFC) and the single-chamber microbial electrolysis cell (SMECs) have been studied in this paper. In this paper, SMFC and SMEC were used to treat single heavy metal wastewater. (II). The effects of environmental conditions (heavy metal concentration, initial pH, external resistance, applied voltage, etc.) on the removal of heavy metals were optimized. Copper containing simulated wastewater was treated by SMFC. The maximum tolerance concentration of Cu2) was 12.5 mg / L, acid pH6.0) and high current density of 500 惟). The formation of simple sediment. SMEC has a similar pattern for the treatment of nickel containing wastewater, and the maximum tolerance concentration is 12.5 mg / L at the optimum applied voltage of 0.7 V. It is more suitable for the removal of NiII) under neutral environment and higher concentration of PBS(100m M. Secondly, the parallel mode is used to couple SMFC and SMEC. The voltage can be stable and can be realized for heavy metal (Cui II) and Nijiao (II). The effects of SMFC number and external resistance on the output voltage and heavy metal removal rate were investigated in parallel connection mode. Two SMFCs parallel coupled SMEC can improve the power output of the system and the removal rate of Ni(II. The removal rate and output voltage of Ni2 increased by 51.4% and 58.6, respectively, and the removal rate of copper increased slightly. The output voltage is increased from 0.230 V ~ (150 惟) to 0.300 V ~ (3 +). Nii (II) and Cui (II). The removal rate increased by 48.8% and 7.3 respectively. Increasing the number of SMFC reactors and increasing the external resistance can promote the voltage output of the coupling system and the removal of heavy metals. Finally. The method of parallel factor was used to analyze the removal routes of BESs. It was concluded that the removal of heavy metals was mainly through the adsorption of materials. SEM-EDS and XPS analysis showed that the microorganism was reduced to simple substance or low valence substance by SEM-EDS and XPS analysis. High throughput sequencing showed that the functional microbes of SMFC and SMEC were mainly Geobacter.sp. In SMFC, the dominant bacteria were Proteobacteria and Synergistetes, with the increase of Cui concentration. The structure and quantity of cathode microorganism changed obviously. Ochrobactrum sp. and Azospirillum sp. were beneficial to the production of electricity and the removal of Ochrobactrum II. The dominant bacteria were mainly concentrated in Proteobacteria and Bacteroidetes. they belonged to Ochrobactrum sp. Acetoanaerobium sp. Dokdonella sp. and Azospirillum sp. promoted the reduction of NII. The interaction between anode and cathode microorganism was analyzed.
【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】：2015
【分类号】：X703
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，本文编号：1438024
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