多阳极微生物燃料电池阴极同步硝化反硝化与产电性能研究
发布时间：2020-07-31 08:08
【摘要】：微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)可以实现生物阴极反硝化,但是自养反硝化过程的速率较低。本研究利用多阳极单阴极微生物燃料电池(Single-Cathode and Multi-Anodes Microbial Fuel Cell,SCMA-MFC),通过同时在阴极提供有机物和氧气,在实现异养反硝化耦合自养反硝化过程的同时,达到同步硝化反硝化的目的。在对SCMA-MFC的阳极数量和结构进行优化的基础上,研究了运行参数(阳极有机物浓度、阴极溶解氧浓度、阴极碳氮比(COD/N,简称C/N)和外电阻值)、外电阻连接方式以及开路或闭路状态的差异对SCMA-MFC阳极和阴极污染物去除和产电性能的影响。同时分析比较了SCMA-MFC系统启动前后以及阴极不同C/N比条件下阴极微生物群落结构的变化,为解析阴极脱氮途径以及阴极有机物对微生物的影响提供理论依据。主要研究结果如下:(1)阳极数量分别为1、3、5的MFC在阳极启动完成后,阳极COD去除率均在93.7%以上。在阴极NaAc浓度为0.3 g/L,溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)浓度为0.7±0.1mg/L的条件下,成功实现SCMA-MFC阴极同步硝化反硝化,阴极启动完成时三个反应器的脱氮率分别稳定在60.9%、61.3%、56.5%。(2)综合比较电池产电性能和污染物去除效果,三阳级单阴极MFC(Single-Cathode and Triple-Anodes MFC,3A-MFC)构型优于单阳极单阴极MFC(Single-Cathode and Single-Anode MFC,1A-MFC)、五阳极单阴极MFC(Single-Cathode and Five-Anodes MFC,5A-MFC)。3A-MFC最大功率密度为236.7 mW/m~3,阳极COD、NH_4~+-N和总氮(Total Nitrogen,TN)去除率可分别达到94.0%、84.8%、71.6%,前25 h和后25 h的TN平均去除速率可分别达到15.7 mg/L·d和4.7 mg/L·d。(3)综合比较污染物去除效果和产电性能指标,3A-MFC的最佳运行参数为:阳极进水NaAc浓度为1.5 g/L,阴极DO浓度为0.7±0.1 mg/L,阴极C/N比为3.5,外电阻值为150Ω,此时最大功率密度为182.9 mW/m~3,阳极COD、TN、NH_4~+-N去除率最高为97.3%、84.1%、97.1%,TN平均去除速率为13.1 mg/L·d。低电阻下的高电流密度可能会刺激反硝化菌株脱氮活性的提高。(4)3A-MFC采用多阳极与阴极并联的连接方式时,污染物去除速率高于多阳极与阴极串联,并联时的TN平均去除速率为14.4 mg/L·d,为串联时的1.9倍。电流的刺激可能会促使反硝化菌和硝化细菌更快地进行同步硝化反硝化。(5)随着3A-MFC反应器的运行,系统内的微生物群落多样性和丰度总体呈下降趋势,反硝化和硝化功能菌群逐渐被富集。阴极主要的硝化作用菌属为Nitrosomonas和Nitrospira;阴极涉及反硝化作用的菌属为Thioalkalispira、Ignavibacterium、Bacillius等。不同阴极C/N比条件下,3A-MFC阴极普遍存在异养型好氧反硝化和自养反硝化菌群,如Bacillus属、Comamonas属细菌。当阴极有机物浓度较高时会抑制自养反硝化菌群如Thiobacillus属细菌,但会强化缺氧型异养反硝化菌属如Clostridium sensu stricto属等。本课题在对SCMA-MFC结构优化的基础上探究了3A-MFC实现阴极同步硝化反硝化的最佳运行参数,并通过多阳极与阴极并联、阴极加入有机物等方式强化了阴极同步硝化反硝化过程。根据阴极主要脱氮微生物的功能推测3A-MFC阴极反硝化的途径包括自养反硝化和异养反硝化,异养反硝化中又包括好氧反硝化途径。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.45;X703
【图文】：
2→2ClO4-+8e-+8H+→Cl-+4H2O 㧏0NO3-+2e-+2H+→NO2-+H2O 㧏0Fe(CN)63-+e-→Fe(CN)64-㧏0NO2-+e-+2H+→NO+H2O 㧏0O2+2e-+2H+→H2O2㧏0微生物的催化作用使电子受体在阴极发生还原反应对于化学催化剂更高效且成本低，降低了 MFC 的是硝酸盐、高氯酸盐等，在去除污染物的同时还可越多地被应用于去除环境中的污染物[38]。阴极电子质和速率，是影响 MFC 性能的重要因素。理想的数大和氧化还原电位高等特性[39]。和阴极室在物理环境上分隔开，避免两者间的气体常用的分隔膜有质子交换膜、阳离子交换膜、阴离换膜为（Proton exchange membrane，PEM）美国 酸交换膜，简称 Nafion 膜，其基本骨架是聚四氟乙醚支链，而支链的末段为磺酸基团，其分子结构简式
图 1-3 微生物燃料电池工作原理萄糖、阴极室利用氧气作为电子受体为例，其阴阳 C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e- 6O2+24e-+24H+→12H2O胞外电子传递机制将胞内电子传递到阳极表面。三种[29]，如图 1-4 所示：（1）细胞膜直接接触传内相互接触的产电微生物，利用细胞质膜（内膜上一系列的电子传递体，将电子传递链上的电子递：产电微生物表面类似于菌毛的“纳米导线”能中介体：产电微生物分泌电子，具有氧化还原可在产电微生物和电极之间来回传递电子。
图 1-3 微生物燃料电池工作原理糖、阴极室利用氧气作为电子受体为例，其阴6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e-O2+24e-+24H+→12H2O外电子传递机制将胞内电子传递到阳极表面。种[29]，如图 1-4 所示：（1）细胞膜直接接触传相互接触的产电微生物，利用细胞质膜（内膜一系列的电子传递体，将电子传递链上的电子递：产电微生物表面类似于菌毛的“纳米导线”介体：产电微生物分泌电子，具有氧化还原可产电微生物和电极之间来回传递电子。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.45;X703
【图文】：
2→2ClO4-+8e-+8H+→Cl-+4H2O 㧏0NO3-+2e-+2H+→NO2-+H2O 㧏0Fe(CN)63-+e-→Fe(CN)64-㧏0NO2-+e-+2H+→NO+H2O 㧏0O2+2e-+2H+→H2O2㧏0微生物的催化作用使电子受体在阴极发生还原反应对于化学催化剂更高效且成本低，降低了 MFC 的是硝酸盐、高氯酸盐等，在去除污染物的同时还可越多地被应用于去除环境中的污染物[38]。阴极电子质和速率，是影响 MFC 性能的重要因素。理想的数大和氧化还原电位高等特性[39]。和阴极室在物理环境上分隔开，避免两者间的气体常用的分隔膜有质子交换膜、阳离子交换膜、阴离换膜为（Proton exchange membrane，PEM）美国 酸交换膜，简称 Nafion 膜，其基本骨架是聚四氟乙醚支链，而支链的末段为磺酸基团，其分子结构简式
图 1-3 微生物燃料电池工作原理萄糖、阴极室利用氧气作为电子受体为例，其阴阳 C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e- 6O2+24e-+24H+→12H2O胞外电子传递机制将胞内电子传递到阳极表面。三种[29]，如图 1-4 所示：（1）细胞膜直接接触传内相互接触的产电微生物，利用细胞质膜（内膜上一系列的电子传递体，将电子传递链上的电子递：产电微生物表面类似于菌毛的“纳米导线”能中介体：产电微生物分泌电子，具有氧化还原可在产电微生物和电极之间来回传递电子。
图 1-3 微生物燃料电池工作原理糖、阴极室利用氧气作为电子受体为例，其阴6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e-O2+24e-+24H+→12H2O外电子传递机制将胞内电子传递到阳极表面。种[29]，如图 1-4 所示：（1）细胞膜直接接触传相互接触的产电微生物，利用细胞质膜（内膜一系列的电子传递体，将电子传递链上的电子递：产电微生物表面类似于菌毛的“纳米导线”介体：产电微生物分泌电子，具有氧化还原可产电微生物和电极之间来回传递电子。
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 操家顺;章震;李超;卢怿;;电子供体配比条件对反硝化微生物燃料电池脱氮性能的影响研究[J];环境科技;2015年06期
2 黄丽巧;易筱筠;韦朝海;冯春华;;阴极硝化耦合阳极反硝化实现微生物燃料电池技术脱氮[J];环境工程学报;2015年10期
3 王海;阮辰e
本文编号：2776206
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huanjinggongchenglunwen/2776206.html
