剩余污泥为燃料的微生物燃料电池产电特性及污泥减量化研究
发布时间：2021-07-31 08:29
微生物燃料电池（MFC）是一种利用附着在阳极电极表面微生物的代谢过程,将蕴含在有机物中的化学能转化成电能的装置。由于其可在处理废水的同时产生电能,已成为环境科学与工程领域的一个重要研究方向。剩余活性污泥主要由悬浮的污泥絮体构成,而絮体是由大量的分散微生物细菌通过胞外聚合物（EPS）、阳离子和其他细颗粒架桥而组成,其中有机物占污泥总量的60%以上。这些均可作为MFC的潜在基质。采用剩余污泥为燃料,通过MFC技术实现在污泥厌氧消化处理的同时实现电能回收,将成为一种新颖的剩余污泥处理技术。剩余污泥中有机物大部分为细胞物质,产电微生物要利用这些物质,首先必须进行破胞,将胞内物质释放出来,使之转化为溶解性物质。而对于MFC体系内的污泥水解过程和产电规律的关系目前未有研究,同时污泥强化水解作用和产电特性的关系仍有待探讨。据此,本研究采用城市污水处理厂剩余污泥作为燃料,结合污泥水解方法（厌氧水解、微波强化水解和外加酶强化水解）和MFC技术进行产电特性和污泥减量化研究。剩余污泥为燃料MFC （SMFC）获得了成功的启动。SMFC最大功率输出为294.5mW/m2,内阻为247.85Ω,库仑效率（CE）...
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：190 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
插图索引
附表索引
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
1.2 污泥性能及水解技术
1.2.1 污泥性能
1.2.2 污泥厌氧处理
1.2.3 机械法污泥水解研究进展
1.2.4 化学法污泥水解研究进展
1.2.5 物化法污泥水解研究进展
1.2.6 生物法污泥水解研究进展
1.3 微生物燃料电池技术
1.3.1 MFC发展由来
1.3.2 MFC基本结构及原理
1.3.3 MFC电化学理论基础
1.3.4 MFC燃料的研究进展
1.3.5 MFC结构形式的变化
1.3.6 MFC影响因素的研究进展
1.3.7 MFC产电微生物的研究进展
1.3.8 其他方面的研究
1.4 本文研究的主要内容
第2章 实验材料、方法及实验设计
2.1 实验装置与运行
2.1.1 实验装置
2.1.2 污泥性质和酶
2.1.3 接种与运行
2.2 试验测试与分析方法
2.2.1 实验测试
2.2.2 化学分析方法
2.2.3 扫描电镜分析
2.3 试验设计
2.3.1 剩余污泥为燃料MFC实验设计
2.3.2 微波强化剩余污泥为燃料MFC实验设计
2.3.3 外加酶强化剩余污泥为燃料MFC实验设计
2.3.4 不同方式处理污泥为燃料MFC对比分析
第3章 以剩余污泥为燃料的微生物燃料电池基础研究
3.1 以剩余污泥为燃料MFC的启动与稳定运行
3.1.1 以剩余污泥为燃料MFC的启动
3.1.2 以剩余污泥为燃料MFC的稳定运行
3.2 SMFC的功率密度与效率分析
3.2.1 功率密度
3.2.2 库伦效率
3.2.3 TCOD、SS及TSS去除效率
3.3 系统溶液特性对SMFC产电性能的影响
3.3.1 磷酸氢二钾
3.3.2 氯化钠
3.3.3 污泥浓度
3.3.4 搅拌
3.3.5 温度
3.3.6 基质
3.4 系统结构特性对SMFC产电性能的影响
3.4.1 阳极面积
3.4.2 反应器体积
3.4.3 阴极面积
3.4.4 阴阳极距离
3.5 以剩余污泥为燃料MFC过程量分析
3.5.1 SCOD变化
3.5.2 蛋白质变化
3.5.3 糖类变化
3.5.4 pH变化
3.5.5 微生物相
3.6 以剩余污泥为燃料MFC的内阻分布
3.7 以剩余污泥为燃料MFC产电机理的探讨
3.7.1 SMFC中氧的传递机理分析
3.7.2 SMFC中基质利用机理分析
3.8 小结
第4章 微波强化剩余污泥为燃料的微生物燃料电池基础研究
4.1 微波强化剩余污泥为燃料MFC的启动与稳定运行
4.1.1 微波强化剩余污泥为燃料MFC的启动
4.1.2 微波强化剩余污泥为燃料MFC的稳定运行
4.1.3 微波强化剩余污泥为燃料MFC的产电特性
4.2 微波对MSMFC产电特性的影响
4.2.1 微波功率
4.2.2 微波时间
4.2.3 微波功率与微波时间的协同作用
4.3 微波强化剩余污泥为燃料MFC的过程量分析
4.3.1 SCOD变化
4.3.2 蛋白质变化
4.3.3 糖类变化
4.3.4 pH变化
4.4 外阻对微波强化剩余污泥为燃料MFC的影响
4.4.1 MSMFC产电特性变化
4.4.2 微生物分析
4.5 微波强化剩余污泥为燃料MFC影响因素研究
4.5.1 离子强度
4.5.2 阴阳极距离
4.5.3 阳极面积
4.5.4 阴极面积
4.6 微波强化剩余污泥为燃料MFC内阻分析
4.7 微波强化剩余污泥为燃料MFC产电机理分析
4.8 小结
第5章 酶强化剩余污泥为燃料的微生物燃料电池产电特性及污泥减量化研究
5.1 蛋白酶强化剩余污泥为燃料MFC的产电特性研究
5.1.1 酶投加量对产电特性的影响
5.1.2 运行温度对产电特性的影响
5.1.3 酶投加量与温度的协同作用对ESMFC产电特性研究
5.2 淀粉酶强化剩余污泥为燃料MFC的产电特性研究
5.2.1 酶投加量对ESMFC产电特性的影响
5.2.2 运行温度对产电特性的影响
5.2.3 酶投加量与温度的协同作用对ESMFC产电特性研究
5.3 两种酶对剩余污泥为燃料MFC的产电特性影响研究
5.3.1 两种酶对ESMFC产电规律的影响
5.3.2 两种酶对ESMFC中基质变化研究
5.4 复合酶强化剩余污泥为燃料MFC的产电特性研究
5.4.1 复合酶对功率输出的影响
5.4.2 复合酶对CE的影响
5.4.3 底物变化
5.5 酶强化以剩余污泥为燃料MFC的机理分析
5.5.1 酶强化以剩余污泥为燃料MFC产电机理分析
5.5.2 外加酶与MFC强化污水水解作用的讨论
5.6 小结
第6章 不同方式处理污泥为燃料的微生物燃料电池对比研究
6.1 MFC产电特性的比较
6.1.1 输出电压
6.1.2 输出功率
6.1.3 内阻
6.1.4 阴阳极特性
6.1.5 库仑效率
6.2 污泥减量化比较
6.2.1 TCOD的去除率
6.2.2 VSS去除率
6.2.3 VSS/TSS变化
6.3 能源效率比较
6.4 以污泥为燃料的MFC应用前景的讨论
6.5 小结
结论与建议
参考文献
附录 攻读博士学位期间所发表的学术论文目录
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]好氧生物阴极型微生物燃料电池的同时硝化和产电的研究[J]. 谢珊,陈阳,梁鹏,黄霞. 环境科学. 2010(07)
[2]喹啉和吡啶共存条件下的MFC产电特性研究[J]. 张翠萍,刘广立,张仁铎,全向春. 环境科学学报. 2010(07)
[3]一株以喹啉为燃料的产电假单胞菌（Pseudomonas sp.）Q1的特性研究[J]. 陈姗姗,张翠萍,刘广立,张仁铎,全向春. 环境科学学报. 2010(06)
[4]外加酶强化剩余污泥水解的研究[J]. 罗琨,杨麒,李小明,汤迎,罗助强,刘精今. 环境科学. 2010(03)
[5]剩余污泥水解酸化过程中胞外聚合物的影响因素研究[J]. 高永青,彭永臻,王建龙,王少坡,张晶宇. 中国环境科学. 2010(01)
[6]单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析[J]. 冯雅丽,李浩然,祝学远. 北京科技大学学报. 2007(S2)
[7]乙酸钠为基质的微生物燃料电池产电过程[J]. 冯玉杰,王鑫,李贺,任南琪. 哈尔滨工业大学学报. 2007(12)
[8]微生物燃料电池阳极特性对产电性能的影响[J]. 黄霞,范明志,梁鹏,曹效鑫. 中国给水排水. 2007(03)
[9]微生物燃料电池[J]. 关毅,张鑫. 化学进展. 2007(01)
[10]废水同步生物处理与生物燃料电池发电研究[J]. 尤世界,赵庆良,姜珺秋. 环境科学. 2006(09)
博士论文
[1]污水厂剩余污泥水解及其厌氧发酵产氢技术研究[D]. 郭亮.湖南大学 2009
[2]微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究[D]. 尤世界.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3313126
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：190 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
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第1章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
1.2 污泥性能及水解技术
1.2.1 污泥性能
1.2.2 污泥厌氧处理
1.2.3 机械法污泥水解研究进展
1.2.4 化学法污泥水解研究进展
1.2.5 物化法污泥水解研究进展
1.2.6 生物法污泥水解研究进展
1.3 微生物燃料电池技术
1.3.1 MFC发展由来
1.3.2 MFC基本结构及原理
1.3.3 MFC电化学理论基础
1.3.4 MFC燃料的研究进展
1.3.5 MFC结构形式的变化
1.3.6 MFC影响因素的研究进展
1.3.7 MFC产电微生物的研究进展
1.3.8 其他方面的研究
1.4 本文研究的主要内容
第2章 实验材料、方法及实验设计
2.1 实验装置与运行
2.1.1 实验装置
2.1.2 污泥性质和酶
2.1.3 接种与运行
2.2 试验测试与分析方法
2.2.1 实验测试
2.2.2 化学分析方法
2.2.3 扫描电镜分析
2.3 试验设计
2.3.1 剩余污泥为燃料MFC实验设计
2.3.2 微波强化剩余污泥为燃料MFC实验设计
2.3.3 外加酶强化剩余污泥为燃料MFC实验设计
2.3.4 不同方式处理污泥为燃料MFC对比分析
第3章 以剩余污泥为燃料的微生物燃料电池基础研究
3.1 以剩余污泥为燃料MFC的启动与稳定运行
3.1.1 以剩余污泥为燃料MFC的启动
3.1.2 以剩余污泥为燃料MFC的稳定运行
3.2 SMFC的功率密度与效率分析
3.2.1 功率密度
3.2.2 库伦效率
3.2.3 TCOD、SS及TSS去除效率
3.3 系统溶液特性对SMFC产电性能的影响
3.3.1 磷酸氢二钾
3.3.2 氯化钠
3.3.3 污泥浓度
3.3.4 搅拌
3.3.5 温度
3.3.6 基质
3.4 系统结构特性对SMFC产电性能的影响
3.4.1 阳极面积
3.4.2 反应器体积
3.4.3 阴极面积
3.4.4 阴阳极距离
3.5 以剩余污泥为燃料MFC过程量分析
3.5.1 SCOD变化
3.5.2 蛋白质变化
3.5.3 糖类变化
3.5.4 pH变化
3.5.5 微生物相
3.6 以剩余污泥为燃料MFC的内阻分布
3.7 以剩余污泥为燃料MFC产电机理的探讨
3.7.1 SMFC中氧的传递机理分析
3.7.2 SMFC中基质利用机理分析
3.8 小结
第4章 微波强化剩余污泥为燃料的微生物燃料电池基础研究
4.1 微波强化剩余污泥为燃料MFC的启动与稳定运行
4.1.1 微波强化剩余污泥为燃料MFC的启动
4.1.2 微波强化剩余污泥为燃料MFC的稳定运行
4.1.3 微波强化剩余污泥为燃料MFC的产电特性
4.2 微波对MSMFC产电特性的影响
4.2.1 微波功率
4.2.2 微波时间
4.2.3 微波功率与微波时间的协同作用
4.3 微波强化剩余污泥为燃料MFC的过程量分析
4.3.1 SCOD变化
4.3.2 蛋白质变化
4.3.3 糖类变化
4.3.4 pH变化
4.4 外阻对微波强化剩余污泥为燃料MFC的影响
4.4.1 MSMFC产电特性变化
4.4.2 微生物分析
4.5 微波强化剩余污泥为燃料MFC影响因素研究
4.5.1 离子强度
4.5.2 阴阳极距离
4.5.3 阳极面积
4.5.4 阴极面积
4.6 微波强化剩余污泥为燃料MFC内阻分析
4.7 微波强化剩余污泥为燃料MFC产电机理分析
4.8 小结
第5章 酶强化剩余污泥为燃料的微生物燃料电池产电特性及污泥减量化研究
5.1 蛋白酶强化剩余污泥为燃料MFC的产电特性研究
5.1.1 酶投加量对产电特性的影响
5.1.2 运行温度对产电特性的影响
5.1.3 酶投加量与温度的协同作用对ESMFC产电特性研究
5.2 淀粉酶强化剩余污泥为燃料MFC的产电特性研究
5.2.1 酶投加量对ESMFC产电特性的影响
5.2.2 运行温度对产电特性的影响
5.2.3 酶投加量与温度的协同作用对ESMFC产电特性研究
5.3 两种酶对剩余污泥为燃料MFC的产电特性影响研究
5.3.1 两种酶对ESMFC产电规律的影响
5.3.2 两种酶对ESMFC中基质变化研究
5.4 复合酶强化剩余污泥为燃料MFC的产电特性研究
5.4.1 复合酶对功率输出的影响
5.4.2 复合酶对CE的影响
5.4.3 底物变化
5.5 酶强化以剩余污泥为燃料MFC的机理分析
5.5.1 酶强化以剩余污泥为燃料MFC产电机理分析
5.5.2 外加酶与MFC强化污水水解作用的讨论
5.6 小结
第6章 不同方式处理污泥为燃料的微生物燃料电池对比研究
6.1 MFC产电特性的比较
6.1.1 输出电压
6.1.2 输出功率
6.1.3 内阻
6.1.4 阴阳极特性
6.1.5 库仑效率
6.2 污泥减量化比较
6.2.1 TCOD的去除率
6.2.2 VSS去除率
6.2.3 VSS/TSS变化
6.3 能源效率比较
6.4 以污泥为燃料的MFC应用前景的讨论
6.5 小结
结论与建议
参考文献
附录 攻读博士学位期间所发表的学术论文目录
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]好氧生物阴极型微生物燃料电池的同时硝化和产电的研究[J]. 谢珊,陈阳,梁鹏,黄霞. 环境科学. 2010(07)
[2]喹啉和吡啶共存条件下的MFC产电特性研究[J]. 张翠萍,刘广立,张仁铎,全向春. 环境科学学报. 2010(07)
[3]一株以喹啉为燃料的产电假单胞菌（Pseudomonas sp.）Q1的特性研究[J]. 陈姗姗,张翠萍,刘广立,张仁铎,全向春. 环境科学学报. 2010(06)
[4]外加酶强化剩余污泥水解的研究[J]. 罗琨,杨麒,李小明,汤迎,罗助强,刘精今. 环境科学. 2010(03)
[5]剩余污泥水解酸化过程中胞外聚合物的影响因素研究[J]. 高永青,彭永臻,王建龙,王少坡,张晶宇. 中国环境科学. 2010(01)
[6]单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析[J]. 冯雅丽,李浩然,祝学远. 北京科技大学学报. 2007(S2)
[7]乙酸钠为基质的微生物燃料电池产电过程[J]. 冯玉杰,王鑫,李贺,任南琪. 哈尔滨工业大学学报. 2007(12)
[8]微生物燃料电池阳极特性对产电性能的影响[J]. 黄霞,范明志,梁鹏,曹效鑫. 中国给水排水. 2007(03)
[9]微生物燃料电池[J]. 关毅,张鑫. 化学进展. 2007(01)
[10]废水同步生物处理与生物燃料电池发电研究[J]. 尤世界,赵庆良,姜珺秋. 环境科学. 2006(09)
博士论文
[1]污水厂剩余污泥水解及其厌氧发酵产氢技术研究[D]. 郭亮.湖南大学 2009
[2]微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究[D]. 尤世界.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3313126
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