微藻生物膜与耗氧单元耦合微生物燃料电池降解垃圾渗滤液的研究

发布时间：2020-06-30 09:20

【摘要】：垃圾渗滤液是在垃圾填埋过程中或者垃圾填埋场封场之后,由垃圾分解和降雨作用产生的一种高浓度高污染的废水,其中的高有机物和高氨氮浓度使其极难处理。运用传统的污水处理方法处理垃圾渗滤液成本高,并且存在二次污染的可能性,亟待开发一种绿色且低成本的垃圾渗滤液处理技术。微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)使用微生物氧化有机底物并释放电子,可处理污水并回收电能。然而,MFC更倾向于有效降解简单的有机污染物,对于渗滤液中的氮以及难降解有机物污染物的去除效果较差。本文将微藻生物膜技术引入单室MFC,微藻在生长过程中可以有效的同化渗滤液中的N、P等营养盐,协同MFC降解复杂的有机物。在此过程中MFC为微藻提供光合作用需要的CO_2,同时MFC利用微藻光合作用原位产生的氧气作为阴极电子受体,可实现微藻生长和MFC处理污水的协同。但是,微藻产生的氧气容易扩散到单室MFC阳极,与阳极竞争电子且影响产电菌活性,降低MFC的产电性能。基于此,本文将微藻生物膜与单室MFC进行耦合,利用耗氧单元(Oxygen consuming unit,OCU)阻隔并消耗微藻光合作用生成的氧气,以渗滤液为底物,研究该耦合体系对渗滤液有机物和氮的去除以及电能和生物质回收的可行性。本文主要研究内容和研究结果包括:(1)本研究共设计四组实验对照组,包括微藻生物膜与单室MFC直接耦合体系(AB-MFC)、通过耗氧单元耦合微藻生物膜和单室MFC体系(AB-OCU-MFC,耗氧单元以碳毡为载体,接种污水后曝气培养一段时间)、单独MFC体系、单独微藻生物膜体系(AB)。实验结果发现AB-OCU-MFC体系中COD和氨氮的去除效果最好,降解最快,最终COD和氨氮的去除效率分别为86.80%和89.40%,最大电压为0.39V,藻生物质产率为1.23 g L~(-1) d~(-1);AB-MFC体系COD和氨氮的降解效率分别为73.90%和77.70%,AB体系COD和氨氮降解效率分别为72.69%和80.00%;MFC体系对于COD和氮的去除效率最低,分别为69.30%和30.30%;AB-MFC体系、AB体系、AB-OCU-MFC体系的藻生物质产量逐渐增大,MFC体系、AB-MFC体系、AB-OCU-MFC体系库伦效率逐渐减小;AB-OCU-MFC体系对腐殖酸降解效果最好,而其他体系中腐殖酸降解效果较差。(2)探究了AB-OCU-MFC体系中不同耗氧单元厚度对于渗滤液中污染物降解以及能源回收效果的影响。实验结果发现,随着OCU厚度的增加,COD和氮的去除效率越来越高。当体系中不存在OCU时,48 h的COD的降解效率为73.90%,氨氮(NH_4~+-N)和总氮(Total nitrogen,TN)最大去除效率为77.70%和69.56%,降解速率最慢,效率最低;OCU层厚度为1 cm、2 cm时,12 h内都可达到最大的降解效率,COD的降解效率分别为78.80%、86.80%,NH_4~+-N降解效率分别为84.40%和89.40%;微藻产率随着OCU厚度增加而增加。由于OCU上微生物对渗滤液中有机物的消耗,电能回收效率(库伦效率)随着OCU厚度增加而减少。(3)研究了OCU对MFC阳极和阴极微生物群落结构的影响,以便了解OCU对MFC产电和污染物去除的影响机理。通过SEM和高通量测序方法对AB-OCU-MFC体系和AB-MFC体系中阳极和阴极微生物群落结构以及OCU上的微生物群落形态结构进行分析。结果发现:OCU上的微生物形态多样,不同种群的微生物丰度相近;AB-OCU-MFC体系的阳极产电菌Geobacter比例较AB-MFC体系提高了37.7%,并且出现了一种新的产电菌Rhodopseudomonas,阴极丰度最大的一类微生物为反硝化菌Thauera,丰度为24.7%;而AB-MFC体系阳极出现了严格好氧菌Flavobacterium,阴极上反硝化菌Thauera仅有2.6%,这说明OCU能有效阻隔氧气进入MFC阳极室,为阳极产电菌提供厌氧环境并促进阴极硝化反硝化反应。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.45;X703
【图文】：

示意图,双室,示意图

1.4 MFC 概述1.4.1 MFC 工作原理MFC与传统燃料电池的概念类似（如图1-3），依靠微生物氧化一系列有机燃料源，转换存储在化学键中的能量，产生电流，而不是依赖于金属催化剂[22]。真菌（酵母）与电极之间的电化学活性发现于 20 世纪初，Potter 在无菌介质的电池装置中，利用大肠杆菌和酵母菌的活培养物使铂电极产生了电[23]。后来 Cohen 在 1931 年也证实了这一点，他报道了堆积的细菌燃料电池系统可产生 35V 的电压[24]。这些研究和报道被视作电子生物学的起源，1963 年美国国家航空航天局（NASA）证实了在太空飞行期间将人类废弃物再循环并转化为电能的可行性[25-27]。1990 年，Habberman 和 Pommer 开创性地报道了一个可以长期工作的 MFC

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图 1-4 利用藻处理废水示意图[17]Figure 1-4 Schematic diagram of wastewater treatment with algae1.6 本论文的研究思路和主要内容综上所述，MFC 是一种潜在的废水处理方法，并且可以回收污水中的能量。但是MFC 独立处理垃圾渗滤液时效率低。微藻由于高效的生长速率被用做多种产品的原材料，然而人工培养微藻净能量回收低，经济上不可行，若将垃圾渗滤液处理与微藻培养相结合，具有成本低、可回收有价值的营养物以及低成本去除污染物等优点。然而目前 MFC 与直接微藻结合的垃圾渗滤液处理系统中溶解氧向阳极扩散降低了MFC 的有机物处理能力与产电性能。本研究针对 MFC 和微藻技术目前存在的问题，即无法同时有效降解有机物和氨氮、降解时间长、直接耦合两种技术面临氧气限制等进行研究。虽然目前已有研究尝试将 MFC 与微藻技术进行耦合，多集中在双室 MFC与微藻耦合，而对单室 MFC 耦合微藻技术的研究较少，尤其是关于微藻生物膜与单室

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