微生物燃料电池去除地下水中五价钒及其微生物群落的研究

发布时间：2017-07-02 01:01

  本文关键词：微生物燃料电池去除地下水中五价钒及其微生物群落的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着钒工业的快速发展,地下水环境中的钒污染日趋严重。钒的毒性随价态的升高而增强,其中五价钒毒性最强。与传统的物理、化学处理工艺相比,生物法成本更加低廉且环境友好。本研究中,使用微生物燃料电池还原人工模拟地下水溶液中的五价钒,采用单室空气阴极型微生物燃料电池,改变碳源及其他影响因素,并对反应运行条件进行优化,以求最佳去除效果,此外还对微生物燃料电池的阳极微生物进行群落分析和机理探究,获得以下结果:单室微生物燃料电池实现了同时去除五价钒和有机物并回收电能,而且所选四种碳源(葡萄糖、乙酸钠、柠檬酸钠、可溶性淀粉)均可作为微生物燃料电池中微生物的碳源和能源,使得各功能微生物得以还原五价钒并产电。通过产电性能(589.1 mW/m2)及五价钒去除率(77.6%)的比较可知,最优碳源为乙酸钠。在四个影响因素中,五价钒浓度对微生物燃料电池去除五价钒并产电过程的影响最为明显,其次为COD及电导率,而外电阻的影响较小。基于单因素实验所得结果,利用响应曲面法,对反应的初始五价钒浓度、初始COD浓度以及电导率三个因素进行了优化,以反应结束时五价钒浓度最低为目标,得到了初始五价钒浓度75.44 mg/L,初始COD浓度1007.48 mg/L以及电导率11.98 m S/cm的最优条件,此时微生物燃料电池输出功率为605.3 mW/m2,五价钒去除率达80.69%。通过分子生物学方法,对阳极微生物进行分析可知,特定功能菌在除钒产电过程中起主要作用。异化金属还原菌如变形菌门γ-变形菌纲肠杆菌属、假单胞菌属等,和所占比例最大的放线菌门(63.66%)以及较大的螺旋体门(7.48%)对五价钒进行还原;产电微生物拟杆菌门拟杆菌纲Dysgonomonas属、变形菌门γ-变形菌纲肠杆菌属等在微生物燃料电池中起产电作用;以乙酸钠为碳源能源的微生物,和一些发酵型微生物在氧化过程及其产物对于五价钒还原反应起重要作用。综上所述,微生物燃料电池去除地下水中五价钒是可行的,乙酸钠作为碳源时效果最佳。通过研究功能微生物对除钒及产电影响,以及条件优化得到最优运行结果,提升地下水中五价钒去除效果,为今后地下水五价钒污染修复提供借鉴。
【关键词】：微生物燃料电池 五价钒 地下水 生物还原 微生物群落
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.45;X523
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 五价钒的来源与危害10-11
• 1.2 五价钒污染控制技术11-13
• 1.3 微生物燃料电池研究进展13-16
• 1.3.1 工作原理及优势13-15
• 1.3.2 应用研究进展15-16
• 1.4 研究目的、内容及创新点16-18
• 1.4.1 研究目的16-17
• 1.4.2 研究内容17-18
• 1.4.3 研究创新点18
• 1.5 技术路线18-20
• 第2章 碳源优选及影响因素研究20-33
• 2.1 引言20-21
• 2.2 材料与方法21-25
• 2.2.1 实验材料与装置21-24
• 2.2.2 分析测试方法24
• 2.2.3 电化学检测及数据表达24-25
• 2.3 结果与讨论25-32
• 2.3.1 微生物燃料产电性能评价25-26
• 2.3.2 五价钒去除效果及碳源优选26-27
• 2.3.3 影响因素分析27-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第3章 响应曲面优化运行条件研究33-42
• 3.1 引言33-35
• 3.2 材料与方法35-36
• 3.2.1 实验材料与装置35
• 3.2.2 分析测试方法35-36
• 3.3 结果与讨论36-41
• 3.3.1 响应方程分析36-38
• 3.3.2 3D响应曲线图及等值线图分析38-41
• 3.3.3 响应曲面法优化41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 五价钒还原产物与微生物群落分析42-51
• 4.1 引言42
• 4.2 材料与方法42-43
• 4.2.1 实验材料与装置42-43
• 4.2.2 分析测试方法43
• 4.3 结果与讨论43-50
• 4.3.1 还原产物分析43-44
• 4.3.2 微生物群落分析44-50
• 4.4 本章小结50-51
• 第5章 结论与展望51-53
• 5.1 结论51-52
• 5.2 展望52-53
• 参考文献53-62
• 致谢62-63
• 个人简历63-64

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本文编号：508005