双阴极MFC系统对生活污水脱氮产电性能研究

发布时间：2020-03-17 20:00

【摘要】：废水中广泛存在的氨氮直接排入水体会引起严重的水体富营养化,引发水体发黑变臭,产生污染。氨氮广泛存在于城市居民生活污水中,传统生活污水的生物处理技术需要额外投加碳源和曝气,会产生巨大的能耗,提高污水处理的成本。通过生物电化学系统对污水进行脱氮处理,可以在去除氮化合物的同时产电,是一种很有前景的方法,原理主要是在阳极,利用产电微生物分解水中有机物产生电子,通过外电路传递到阴极,在阴极,反硝化细菌的作用下,硝酸盐得到电子,被还原为氮气从而得以去除。但是目前研究多集中在阴极反硝化,对于硝化反硝化的联合过程的研究较少,因此,本课题的研究,主要是试图将硝化和反硝化集合在同一个生物电化学系统中,以期为同步电化学过程与脱氮过程的研究提供理论依据。本实验通过构建双阴极MFC系统,利用构型特点,可以在不同极室将生活污水实现脱氮除碳,同时产电,从而实现污水的有害物质去除和废物资源化,具体研究内容如下:(1)实验首先利用模拟废水启动生物双阴极MFC系统,经过一个半月的运行,A-O系统的最大瞬时电压突破了500 m V,内阻值为150Ω,A-A系统的最大瞬时电压突破了600 m V,内阻值为125Ω,最大功率密度达到3.5 W/m3,标志着系统已成功启动。启动后,考察了系统的产电效果和脱氮效果,COD去除率为83.33%,氨氮去除率为91%,硝酸盐去除率为44%。(2)之后将系统在厌氧-好氧-缺氧模式下批次运行,进行关于氨氮浓度、外电阻及回流比对的参数优化,发现在较小的C/N比时,好氧阴极室对于氨氮的去除更彻底,缺氧阴极室对于硝酸盐的去除也更彻底;调整电路连接,将A-O段电阻保持1000Ω不变的情况下,将A-A段电阻改为10Ω,硝酸盐的去除率由90%提高到94%,总氮的去除率由50%提高到60%;回流比从0增加到2时,氨氮的去除率由70%增加到95%,总氮的去除率由50%增加到94%。(3)根据结果将系统置于相对适宜的条件下连续运行,继续进行HRT、COD浓度及p H的参数优化。研究发现,在本实验中连续运行的双阴极MFC系统,较为合理的水力停留时间为20 h。系统的最优进水负荷为200 mg/L。系统的产电效果受进水p H的影响较大,而在酸性条件下,产电性能受到明显抑制,考虑进水为中性或弱碱性为最佳。
【图文】：

双室,工作原理图,阳极室

图 1-1 双室型 MFC 工作原理图该双室 MFC 的基本结构由阳极室、阴极室和交换膜三部分组成。PEM 和AEM 起到分隔阳极室和阴极室的作用。微生物燃料电池的产电机理如下：（1）在阳极室，微生物作为催化剂，污水中的还原态有机物或无机物被微生物催化氧化为二氧化碳和水，释放出电子和质子；（2）有机底物的分解过程产生的电子通过细胞直接接触、纳米导线和中介物质三种方式传递至阳极表面；（3）由阳极室传递的电子经由外电路（导线及外接电阻）到达阴极；（4）阳极室有机物被微生物催化氧化分解后产生的质子通过离子交换膜从阳极室迁移至阴极室，或在无膜情况下经由电解液进入阴极室，并最终到达阴极材料表面；（5）阴极电子受体（如氧气）接收阳极传过来的电子和质子，然后发生还原反应，，从而完成微生物燃料电池的产电过程。以葡萄糖为阳极燃料，氧气为阴极电子受体的双室 MFC 为例阳极室和阴极室中发生的主要反应如下：阳极：+
【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】：X799.3

【参考文献】