双室微生物燃料电池脱氮特性及微生物学机理研究

发布时间：2019-03-02 15:24

【摘要】：微生物燃料电池(MFC)是在微生物催化作用下同时去除污染物并产生电能的装置,其为生物脱氮技术提供了一条新的思路。本文以双室型阴极反硝化MFC为研究对象,考察了三种含氮物(氨氮、硝态氮和亚硝态氮)废水分别作为阴极底物时MFC的脱氮产电性能。试验研究不同运行参数(底物浓度、温度、外电阻等)对MFC性能的影响,鉴别阴极室内反硝化菌的功能特征,探讨MFC生物脱氮产电工作机理。主要结果如下:(1)研究氨氮废水作为MFC阴极底物发生同步硝化反硝化时,不同运行方式对MFC处理氨氮废水的影响。(1)考察了通路与断路条件对MFC产电脱氮的影响,结果表明:断路时有利于硝化反应的发生,氨氮去除率最大值为95.17%;而通路更有利于COD和总氮的去除,总氮去除负荷达到0.064 g/(L·d)。(2)采取曝气阶段+停曝阶段运行方式后,总氮去除负荷升高到0.46 g/(L·d),说明此运行方式既能有效提高MFC的脱氮产电性能又可以减少维持高浓度DO的能量输入。(2)研究当硝态氮和亚硝态氮废水分别作为阴极底物时,运行参数对MFC的性能影响。(1)在一定底物浓度范围内,提高底物浓度可强化MFC脱氮产电能力。对电流密度与进水硝态氮浓度之间变化趋势进行数型模拟。而对以亚硝态氮为底物的MFC,采用低流量、高进水亚硝态氮浓度的运行方案可降低亚硝酸盐硝化率、提高脱氮效率。(2)较低的外电阻有助于提高MFC的脱氮产电性能。对于3号MFC,在外电阻为25Ω时,总氮去除负荷和电流密度均达到最大值66.86 g/(m3·d)和14.25 A/m3。(3)合适的水力停留时间(HRT)可以缩短MFC阴极室的处理时间、提高脱氮处理效率。对于3号MFC,当水力停留时间为59 h,总氮去除率高达93.23%。(4)pH对MFC中反硝化菌的活性和总氮去除有较大影响。偏酸性的环境下有利于提高MFC的运行性能。对于2号MFC,pH值为6.85时,总氮去除负荷达到最大值54.82 g/(m3·d)。(5)升高温度有助于增强MFC的运行性能。对于以亚硝态氮为底物的MFC,在温度为32℃时,总氮去除负荷达到最大值55.27±0.84 g/(m3·d)。但温度过高或低均会抑制反硝化菌群活性。(6)通过对长时间运行的MFC阳极室采取间歇曝气的方式,可抑制产甲烷菌的生长,提高阳极的产电性能。(3)研究当硝态氮和亚硝态氮废水分别作为阴极底物时,分析比较阴极室内微生物的功能特征,推测MFC阴极室内存在的主要生物电化学反应。(1)从反应器的运行性能来看,以硝酸盐为底物的MFC1脱氮效果最好。从菌群结构分析来看,两个菌群的相似性系数为52.2%。MFC1反应器的优势菌为Ignavibacteria纲的菌属Ignavibacterium,其次为β-变形菌纲(Betaproteobacteria)的菌属Thiobacillus。以亚硝酸盐为底物的MFC2反应器的优势菌为异常球菌纲(Deinococci)的菌属Truepera。两个MFC中的产电菌可能主要是Alphaproteobacteria(α-变形菌纲)和Betaproteobacteria(β-变形菌纲)。Thiobacillus(硫杆菌属)、Ignavibacterium、Afipia(阿菲波菌属)和Aquamicrobium(厌氧绳菌属)等可能为MFC阴极室内的主要脱氮功能菌。(2)推测硝态氮为电子受体MFC阴极室内存在的主要生物电化学反应:自养反硝化、异养反硝化、氧气还原和其他的电化学反应。推测亚硝态氮为电子受体的MFC阴极室内存在的主要生物电化学反应:自养反硝化反应、异养反硝化反应、自养硝化反应、氧气还原反应和其他的一些电化学反应。
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【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.45

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