微藻型微生物燃料电池处理养猪废水特性研究

发布时间：2020-10-17 12:30

　　 当前水资源危机、能源危机和环境污染问题日益突出,制约了人类社会的发展与进步,微生物燃料电池(MFCs)作为一种新的污水能源化技术,在处理废水的同时能够达到电能的回收,符合当今“绿色发展”理念和生态文明建设。能源微藻作为一种可代替传统化石燃料的清洁环保的生物质能,可将其作为MFCs的阴极生物催化剂,提高系统的输出功率密度,降低MFCs的构建成本,同时还可以收获能源微藻。另一方面,我国是猪肉生产大国,在养猪场快速发展的过程中产生的废水占我国禽畜废水总排放量的3/5,废水中含有高浓度的COD、氨氮和TP,未经处理的养猪废水直接排放严重破坏了生态环境,但废水中的高浓度有机物是MFCs的理想基质。为此,本文构建了微藻型MFCs处理养猪废水,通过研究关键参数pH和底物浓度对系统产电性能和有机污染物降解效果的影响,验证了微藻型MFCs在高效处理养猪废水同时产电的可行性,同时研究了小球藻废水资源利用生长及净化作用。(1)在已有研究的基础上,确定最佳运行温度为30℃,光照强度为5500Lux。采用人工模拟配水启动微藻型MFCs,经过20d的启动,电压稳定在165±5mV,说明电极完成了对产电细菌的选择和富集,系统启动成功并稳定运行,最大输出功率密度为231.64mW/m3,产电周期约80h,并能够有效的降解废水中的有机物,对COD的去除达到87.75%。(2)在稳定运行的基础上,研究了关键参数pH、底物浓度对微藻型MFCs产电性能和有机污染物降解效果的影响。结果表明:微藻型MFCs阳极液在碱性环境中有利于提高系统的性能,当pH值从6增加到10时,微藻型MFCs的产电性能随之提高,当pH=10时,系统的产电性能达到最佳,功率密度为534.84mW/m~3,是pH=6时的最大出功率密度的2.12倍;pH对COD的去除率影响不大,均在90%以上,氨氮的去除率随着pH值的升高而提高,当pH=10时,NH_4~+去除率达93.54%。底物浓度对系统的开路电压影响不大,稳定输出电压和功率密度随浓度的变化趋势均符合Monod方程变化规律;随着底物浓度的增大,系统的库伦效率逐渐降低,二者拟合曲线方程为:y=55.869x~(-0.36)(R~2=0.9848),库伦效率从COD=510mg/L时的5.97%降低至2.86%,降低了约52%;COD的去除效果随着底物浓度的增加逐渐上升,NH_4~+和TP的去除率随着底物浓度的增加逐渐下降。从产电性能、污染物降解能力和效率多方面的综合分析评价,底物初始COD=950mg/L时,系统的综合性能表现最佳。因此,微藻MFCs在温度为30℃,光照强度为5500Lux,pH=10,初始COD=950mg/L的条件下运行,系统产电性能和有机物降解效果的综合性能表现最佳。(3)将人工模拟配水运行的微藻型MFCs用于处理实际养猪废水,经过三个产电周期,系统达到稳定状态,稳定输出电压为220mV,产电周期约120h,最大输出功率为432.44mW/m~3,对COD、NH_4~+和TP的去除率分别达85.61%、90.50%和38.97%,库伦效率为6.28%。与同浓度的人工模拟配水的效果相比,输出电压略有下降,但库伦效率有所提升,说明系统对养猪废水的利用率更高,可以高效的降解养猪废水中的有机污染物并同时产生电能。(4)通过分析比较在不同水体中小球藻的生长情况和净水效果,发现小球藻在养猪废水原水中由于浓度较高不能正常生长,有机物降解主要靠废水中原有的微生物降解;稀释8倍养猪废水和阳极出水在小球藻的净化下,出水水质达到畜禽养殖业水污染排放标准(GB18596-2001);小球藻能够迅速进入对数生长期,细胞干重分别达到0.397g/L和0.258g/L,比生长速率分别为0.286/d和0.196/d。
【学位单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM911.45;X713
【部分图文】：

第一章 绪论燃料电池的工作原理兴的废物资源化和能源回收技术，MFCs 是一种通过利用可被生量反应而直接产生电流的装置，从能量转化的角度，MFCs 实现学能转化作电能的过程。其工作原理是：在厌氧环境下，利用微动，通过微生物对有机物质的分解进而释放出质子和电子，电子接传递到阴极形成电流，质子通过质子交换膜传递到阴极，电子（如氧气等）在阴极室发生还原反应生成水，进而完成 MFCs 的成有机物的去除[45]。

.1 微藻型 MFCs 电池系统1.1 微藻型 MFCs 装置构建本实验构建的微藻型 MFCs 采用有机玻璃自制的双室 MFCs，如图 2.1、图 2.2 所中阴阳两极室的尺寸均为 5.0cm×5.5cm×6.0cm，有效工作容积为 150mL，中间留5cm×6.0cm 的孔洞。用质子交换膜将阳极室和阴极室隔开，用硅胶垫和不锈钢螺丝固定密封，其中阳极室处于绝对密封状态，保证其厌氧环境。阴阳两极的电极材料用 0.2cm 碳毡，且碳毡表面积均为 40.5cm2（4.5cm×4.5cm，双面），通过钛丝导线阳两级的电极和负载电阻 1000Ω连接形成电流回路。阴阳两级室侧壁上打孔方便取排放底物，顶板上各有三个孔，其中一个用于更换底物，一个插入饱和甘汞参比电个作为出气口（备用），用橡胶管将两室的出气口封堵。系统的输出电压采用数据卡及配套软件、电脑进行采集，每 1min 记录一次，每 10min 平均一次，以 excel 文式保存于电脑。

（A）反应装置和数据采集系统 （B）反应装置图 2.2 微藻型 MFCs 实体图实验材料预处理：（1）质子交换膜的预处理：nafion117 膜在使用前，需对其进行预处理，以期达好的传递效果。首先将膜放在质量分数为 5%的双氧水中在 80℃下煮 1 小时，然后离子水浸泡 0.5 小时，再用 5%的稀硫酸在 80℃下煮 1 小时，最后再用去离子水浸5 小时。（2）碳毡的预处理：先用蒸馏水浸泡 1h，去除表面杂物，再分别用 1mol/L 的 H 1mol/L 的 NaOH 浸泡 2h，最后放在去离子水中备用。1.2 菌种的选择阳极室接种微生物：阳极室接种的混合菌取自西安市某污水处理厂的厌氧池，需取回来的污泥在厌氧条件下定期添加营养物质进行驯化，30d 后方可作为接种污泥
【参考文献】

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本文编号：2844780