折流板管状空气阴极微生物燃料电池构建及产电特性研究

发布时间：2020-06-05 19:42

【摘要】：伴随社会的发展,支柱性产业能耗高、效率低、对传统能源的过度依赖,新能源开发不足,导致了生态环境破坏严重,制约了我国的可持续发展。调整能源结构,实现结构多样化,发展清洁能源、加大新能源利用已成为我国能源结构调整的主攻方向。将厌氧折流板工艺与微生物燃料电池工艺相结合,设计开发了折流板管状空气阴极微生物燃料电池(baffled tubular air-cathode MFC, BTAMFC)(200810063876.5及PCT/CN2009/070168),该反应器既保留了厌氧折流板工艺在废水处理中的优势,又可进行电能的生产,提高了回收的经济效益。构建了BTAMFC的基本构型——单格室BTAMFC(Single-compartment BTAMFC,SBTAMFC)。考察了阳极结构对SBTAMFC的影响,三维立体阳极结构更有利于体系的产能与废水的去除。与碳板阳极BTAMFC相比,三维立体阳极BTAMFC总内阻由原来的19.8?降低为12.1?,最大功率密度升高至582.4 mW/m2, COD去除率也从47%增加至88%。对比了连续流与间歇流运行方式,连续流运行方式有效地提高了体系的产电性能。间歇流运行BTAMFC的总内阻增加了7.4?,功率密度降低至407.1mW/m2,COD去除率变化不明显。考察了分格数对BTAMFC的影响,将单室BTAMFC构建成双室BTAMFC(dual-compartment BTAMFC, DBTAMFC),不仅增大了输出电能,还增加了体系对废水的去除能力。以1g/L葡萄糖为底物,当HRT=6h时,最大功率密度为15.2 W/m3,COD去除率为88%,内阻为13.7?。随着进水负荷从4.11 kg COD/ (m~3 NAC·d)升高至16.0 kg COD/ (m~3 NAC·d)时,COD去除率从88%降低至70%。在此过程中,电池的内阻变化不大,始终低于15?;当进水负荷为9.60 kg COD/ (m~3 NAC·d)(HRT=2.5h)时,拥有最大输出功率密度(20.8 W/m3);最大库伦效率(48%)在6.96 kg COD/ (m~3 NAC·d)(HRT=3.5h)时获得,因此该体系最佳的水力停留时间范围为2.5-3.5h。考察了长期运行对电池性能的影响,结果显示,电池经过10个月的稳定运行,仍保持较高的电能输出及COD去除率,输出电压降低了6.4%,最大功率密度降低为原来的48.4%,但仍能输出7.9W/m3的电能, COD去除率由原来的88%升高至90%。进一步说明DBTAMFC体系的稳定性较好,适合于长期运行,电池的寿命至少在10个月以上。进一步增加分格数,优化BTAMFC的产电性能及废水处理效果。由双格室DBTAMFC增加成五格室BTAMFC ( Five-compartment BTAMFC ,FBTAMFC),体积增大了4.5倍。进水葡萄糖浓度为5 g/L,与DBTAMFC相比,各个格室在1000?下输出的电压并未改变,总输出功率从DBTAMFC的20.8 W/m~3提高至54.7 W/m3,总COD去除率为86%。各个格室的欧姆内阻相同,但源于电荷转移内阻及扩散内阻的差异使得总内阻相差不到1?(12-13?),说明了BTAMFC的内阻不会随着格室数的增加而增大,为BTAMFC分格数进一步增加提供了参考数据。除第一格室内阻外,其余各格室内阻均小于DBTAMFC。各格室按从前至后的顺序COD去除率分别为67%、25%、32%、3.5%和11%,揭示了BTAMFC体系一个普遍的规律,即第一个格室主要偏向于废水处理,超过50%以上的进水COD在此格室内得以去除。五格室BTAMFC在无回流时,各格室的最大功率密度均降低,总功率密度降低了13.6 W/m3,但总COD去除率由原来的86%升高至94%。虽然损失了部分电能,但节省了投资与运行费用,提高了废水处理效果。增加底物浓度(由5g/L增至10g/L)大大降低了第一、三格室的产电性能使得10g/L时总功率密度降低了33.9 W/m3,但COD去除率保持在94%。将秸秆纤维素燃料乙醇洗液废水稀释后直接用于DBTAMFC中产电,最大输出功率密度为10.7 W/m3, COD去除率达89.1%,并伴有脱色效果。首次将秸秆纤维素燃料乙醇醪液废水直接应用于FBTAMFC产电,总功率密度为20.8 W/m3,COD去除率为95%。首次将BTAMFC工艺与CSTR(产酸相)、EGS(产甲烷相)及SBR反应器(好氧段)的废水处理工艺联合应用,将秸秆纤维素燃料乙醇醪液废水SBR工艺段出水作为单室BTAMFC底物产电,电压由412mV降低至296mV,最大功率密度为2.7W/m3,出水COD可达96mg/L,去除率为72%,出水色度明显下降,为MFC工艺在废水领域内应用提供了新的方法。综上所述,BTAMFC可直接应用于处理高浓度高负荷的有机工业废水中,且具有一定的脱色效果及抗负荷及毒物冲击的特性。
【图文】：

示意图,厌氧折流板反应器,示意图,高负荷

图 1-1 厌氧折流板反应器示意图Figure 1-1 schematic diagram of Anaerobic Baffled ReactorABR 工艺可在低 HRT 下处理高负荷的废水，并能取得很好的处理效果achaiyasit[20]等人的研究数据显示，当负荷从 3.5 kg COD/m3·d 提高至 28 OD/m3·d 时，，去除率一直稳定于 80%。Stuckey[21]研究显示 HRT 为 10 h 时

示意图,氧化反应,电子流,挥发性有机酸

物的变化过程。研究证实大多数葡萄糖先发酵生成乙酸和氢气，而后乙酸与氢气作为底物在微生物催化下产生电能，对于混菌体系来说，葡萄糖直接被氧化的反应并不是体系产电的主要途径。图 1-3 为根据研究所得数据绘制的电子流途径示意图，图中数据表明阳极氢气的氧化反应为产电的主要途径。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X703.1

【参考文献】