基于阴极硝化耦合阳极反硝化微生物燃料电池技术的脱氮除碳研究

发布时间：2020-07-31 14:31

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一种创新可持续发展的污水处理技术,用于污染控制和能源生产。为了解决传统微生物燃料电池pH的自反馈抑制、阴极室好氧反硝化菌难以富集和缓冲体系对水体造成二次污染等问题。本论文通过在MFC中构建自缓冲体系(阴极硝化反应和阳极反硝化反应),探索了阴极硝化耦合阳极反硝化MFC的启动过程和最佳工况。阴极硝化耦合阳极反硝化MFC在启动阶段,耗时45 d启动成功,稳定电压为560mV,最大功率密度为6.71 W·m~(-3)。在启动阶段,体系总氮去除率随着时间的增大而增大,最终趋于稳定,总氮去除率接近99%。阳极室COD去除率为92.7%。反应器启动成功后,阳极室石墨颗粒上微生物以杆状菌为主,其分布密集,形态上互相紧密连接;阴极上的微生物较为稀疏。阳极室的主要菌属有:希瓦氏菌属Shewanella、地杆菌属Geobacter、假单孢菌属Pseudomonaceae和异养反硝化菌属Denitratisoma。阴极室的主要菌属有:硝化螺旋菌属Nitrospira和硝酸菌属Nitrobacter。同时,对影响阴极硝化耦合阳极反硝化MFC性能的因素进行探索,优化其运行条件,寻求其最佳工况并得出以下结论:(1)外阻越小时,有机物降解速率越快,总氮去除率越高,阳极室上生物膜的氧化能力越强,氧化阳极底物的能力越强。(2)在一定范围内,随着阳极室COD浓度的增加,MFC的产电性能越好,最大功率密度越大,但阳极室库伦效率越低。阳极室进水COD对MFC脱氮除碳效果影响不大。(3)在一定范围内,随着阴极室氨氮(NH_4~+-N)浓度的增加,MFC的产电性能越好,最大功率密度越大,总氮去除率减小。阴极室氨氮(NH_4~+-N)浓度对MFC除碳效果影响不大。(4)最大体积功率密度随着水力停留时间的增大先增大后减小,水力停留时间对MFC脱氮除碳效果影响不大。(5)MFC的产电性能随着搅拌强度的增强先增大后减小,搅拌强度为20 mL·min~(-1)时,最大功率密度是7.01 W·m~(-3) NC;当搅拌强度为20 mg·L~(-1),反应器处于完全混流和推流之间,体系的脱氮除碳效果最好。阴极硝化耦合阳极反硝化MFC的最佳工况:外阻100?,阳极进水COD浓度为550 mg·L~(-1),阴极室氨氮(NH_4~+-N)浓度为25 mg·L~(-1),水力停留时间8.20 h(阴阳极室进水流速均为0.65 mL·min~(-1)),循环搅拌强度20 mL·min~(-1)。MFC在最佳工况下最大功率密度是7.05 W·m~-33 NC;连续运行30 d时,平均每天总氮去除率为98.32%,平均每天COD去除率为93.05%。在最佳工况下,阳极室石墨颗粒上微生物以杆状菌为主,在形态上接近生物幼虫;阴极室石墨颗粒互相抱团连接。阳极室的主要菌属有:地杆菌属Geobacter;希瓦氏菌属Shewanella;异养反硝化菌属Denitratisoma;unclassified_f_Rhodocyclaceae和假单孢菌属Pseudomonaceae;阴极室的主要菌属有:硝化螺旋菌属Nitrospira;硝酸菌属Nitrobacter。阳极室和阴极室的菌属分别与启动阶段时阳极室和阴极室的菌属相似,只是所占的比例不同。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.45;X703
【图文】：

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图 1-1 MFC 结构和原理示意图Fig. 1-1 Schematic of the structure and working principle of microbial fuel cell 在废水处理中的运用

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图 2-1 阴极硝化耦合阳极反硝化 MFC 反应器示意图. 2-1 Schematic diagram of cathode nitrification coupled to anode denitrification of MFC ree-e-R-+进水口进水口循环口循环口循环口循环口出水口出水口参比电极参比电极电极电极阳极质子交换膜阴极蠕动泵阴极蠕动泵蠕动泵蠕动泵

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图 3-1 阴极硝化耦合阳极反硝化 MFC 原理图Fig. 3-1 Schematic diagram in cathode nitrification coupled to anode denitrification of MFC3.2.2 反应器的运行阴极硝化耦合阳极反硝化 MFC 所处环境温度为(26 4) ℃。采用连续培养的方式通过蠕动泵向反应器进水，体系水力停留时间为 8.2 h（阴阳极室进水流速均为 0.65mLmin-1）。在阴极室进水中持续曝气，保持阴极室 DO 为(6.5 0.5)mg L-1，进水氨氮(NH4+-N)浓度为 25mg L-1。阴极室的出水加入 C6H12O6溶液和微量元素后通过蠕动泵进入到阳极室，阳极室 DO 为(0.3 0.1)mg L-1，ORP 为(-200 0.5)mV，进水 COD 为550mg L-1。为了提高系统的稳定性，设置阴极室和阳极室的循环搅拌流量均为 10mLmin-1。阴极室和阳极室之间接入可变电阻箱（调节至 500 ），同时接入 32 通道的电压采集器用于记录电压。3.3 阴极硝化耦合阳极反硝化 MFC 的产电性能

【参考文献】