人工湿地耦合微生物燃料电池对啤酒废水的处理效果及产电性能研究
发布时间：2021-06-16 03:29
通过构建两组平行的、不同电极间距的人工湿地耦合微生物燃料电池系统（CW-MFC）（反应器A、B,其电极间距分别为18、28 cm）,探究了水力停留时间（HRT）、进水有机碳源浓度（COD）以及电极间距等因素对耦合系统的污水处理及产电性能的影响情况,考察了反应器A中阴极微生物对系统产电性能的影响情况。并通过分析两个反应器阳极以及反应器A阴极的微生物群落结构特征,将宏观的实验现象与生物分析数据相结合。本研究为该新型耦合系统的后期研究以及实际运行提供参考,主要结论如下:（1）HRT的延长有利于提高系统的污水处理效果及发电效果,然而过多的延长对提高CW-MFC系统的产电性能效果并不明显。当进水COD为500 mg/L时,反应器A、B均在HRT为48 h时获得最佳的污水处理效果,而分别在HRT为24 h及48 h时达到最佳产电性能。进水COD浓度在一定范围内升高有利于提高系统的产电性能。HRT为24 h的条件下,反应器A、B均在进水COD浓度为1000 mg/L时达到最佳产电性能,最高输出电压以及最大功率密度分别为548 mV、540 mV;120.31 mW/m3、116.83 mW/m3。电...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MFC工作原理示意图
其基本结构如图1.2所示。阳极室一般为厌氧状态，且产电微生物会附着在阳极电极的表面，因此阳极电极应具有良好的导电性、高比表面积、生物相容性等的特点。常见的阳极材料有石墨、石墨刷、碳毡、活性炭、不锈钢网等。阴极室一般通过曝气提供氧气作为电子受体，也可采用其他物质作为电子受体。PEM的作用则是防止阴极溶解氧向阳极室传递影响产电细菌的活性。PEM的应用使系统条件的改变更加方便，但也提高了系统内阻不利于系统产电。然而该构型复杂，不适用于大型设施。此外电能输出不高是目前限制双室MFC系统发展的主要瓶颈。图1.2MFC的基本构造示意图（2）单室型有学者针对双室型MFC存在的缺陷构建了单室型MFC系统，该系统将阴极直接暴露在空气中，且不使用PEM隔膜。首个单室MFC系统于2003年由Park[23]创建，其基本结构如图1.3所示，阳极电极放置在密封的厌氧瓶中，阴极电极则直接置于空气中。随后，单室MFC系统构型不断被改造及优化，目前有以下几种基本构型：1）单室无膜空气阴极型MFC。和图1.3所示构型比较，改构型同样不含有质子交换膜并将阳极和阴极放置在同一个腔室内，通过改造系统的最大功率密度提高约一倍，由262mW/m2提高到494mW/m2。然而由于阴极溶解氧的影响，系统的电子回收率降低[24]。2）单室管状空气阴极型MFC，其基本构型如图1.4所示[25]。该系统整体结构为圆柱状，阳极和阴极分别位于相对侧，阳极由碳纸组成，阴极则由粘合PEM的碳布构成。相较于双室MFC系统，单室MFC系统结构更为简单，且不需要曝气提供电子受体，降低能耗。同时，
1绪论5由于取消了PEM隔膜的使用，不仅使系统内阻大大降低、输出功率提高，还节约了构造成本，更利于工程实践。图1.3首个单室MFC系统示意图图1.4单室管状1.2.3微生物燃料电池的研究现状（1）废水净化和产电性能MFC系统因其在废水处理过程中的可持续发电而被广泛认可。该系统处理污水具有节能、减少污泥体积以及生物产电等优点，被认为是解决水和能源问题的伟大解决方案[26,27]。近年来，国内外学者对MFC系统在生物能源和废水处理方面的研究取得了很大的进展，包括废水处理与回收、生物发电、发电与废水处理、电极材料、薄膜、产电微生物、设计与配置、生物制氢、生物传感器、MFC类型以及其他系统相结合。处理不同废水时MFC系统的废水净化效率以及产电性能如表1.1所示。目前MFC系统已被应用于处理各种含有可降解的有机化合物和营养物质的废水，如植物油工业废水、木薯厂废水、酒厂废水、乳制品废水、炼油废水、海产品加工废水、食品加工废水、养殖废水、棉纺织业废水等。表1.1MFC系统处理不同废水时的净化效率以及产电性能废水类型去除效率（%）功率密度参考文献城市污水70~90%COD7~60W·m-3[28]植物油工业废水67.3%硫酸盐；73.6%磷酸盐；80~90%COD6119mW·m-2[29]酒厂废水66~79%COD；40%总溶解性固体（TDS）；97%总悬浮固体（TSS）836.8mW·m-2[30]乳制品废水90.5%COD；81.7%BOD5；73.22%NH3，NH4+69.43%；39.43%SO42-；70.17%TSS；64.6%挥发性SS621.13mW·m-2[31]炼油废水除油率84.3%330.4mW·cm-3[32]
【参考文献】：
期刊论文
[1]UASB+A/O工艺在啤酒废水处理中的工程应用[J]. 张薇薇. 环境与发展. 2019(06)
[2]MSBR工艺处理啤酒废水工程实践[J]. 何晓云. 化学工程与装备. 2019(02)
[3]微生物燃料电池阴极材料研究进展[J]. 范梦婕,陈柳柳,徐源,陈英文,沈树宝,祝社民. 化工新型材料. 2017(06)
[4]啤酒废水处理中氨氮异常原因分析及处理[J]. 马五一,杨凤娥,刘艳梅,杨瑞仙. 中外酒业·啤酒科技. 2017(07)
[5]水力停留时间对MFC-A2/O工艺处理生活污水的影响[J]. 刘睿,高艳梅,王晓慧,付进南,海热提,罗南,李媛. 环境科学学报. 2017(02)
[6]啤酒生产废水处理工程设计与实践[J]. 王洪庆,乐晨,陈赟,韩颖,陈振. 安徽农业科学. 2016(09)
[7]土壤微生物产电技术及其潜在应用研究进展[J]. 邓欢,薛洪婧,姜允斌,钟文辉. 环境科学. 2015(10)
[8]人工湿地/微生物燃料电池技术的发展现状[J]. 王同悦,Liam Doherty,赵晓红,赵亚乾,胡沅胜,郝晓地. 中国给水排水. 2015(17)
[9]微生物燃料电池与人工湿地耦合系统研究进展[J]. 许丹,肖恩荣,徐栋,吴振斌. 化工学报. 2015(07)
博士论文
[1]低氧活性污泥法除污及污泥减量研究[D]. 徐宇峰.重庆大学 2014
本文编号：3232268
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MFC工作原理示意图
其基本结构如图1.2所示。阳极室一般为厌氧状态，且产电微生物会附着在阳极电极的表面，因此阳极电极应具有良好的导电性、高比表面积、生物相容性等的特点。常见的阳极材料有石墨、石墨刷、碳毡、活性炭、不锈钢网等。阴极室一般通过曝气提供氧气作为电子受体，也可采用其他物质作为电子受体。PEM的作用则是防止阴极溶解氧向阳极室传递影响产电细菌的活性。PEM的应用使系统条件的改变更加方便，但也提高了系统内阻不利于系统产电。然而该构型复杂，不适用于大型设施。此外电能输出不高是目前限制双室MFC系统发展的主要瓶颈。图1.2MFC的基本构造示意图（2）单室型有学者针对双室型MFC存在的缺陷构建了单室型MFC系统，该系统将阴极直接暴露在空气中，且不使用PEM隔膜。首个单室MFC系统于2003年由Park[23]创建，其基本结构如图1.3所示，阳极电极放置在密封的厌氧瓶中，阴极电极则直接置于空气中。随后，单室MFC系统构型不断被改造及优化，目前有以下几种基本构型：1）单室无膜空气阴极型MFC。和图1.3所示构型比较，改构型同样不含有质子交换膜并将阳极和阴极放置在同一个腔室内，通过改造系统的最大功率密度提高约一倍，由262mW/m2提高到494mW/m2。然而由于阴极溶解氧的影响，系统的电子回收率降低[24]。2）单室管状空气阴极型MFC，其基本构型如图1.4所示[25]。该系统整体结构为圆柱状，阳极和阴极分别位于相对侧，阳极由碳纸组成，阴极则由粘合PEM的碳布构成。相较于双室MFC系统，单室MFC系统结构更为简单，且不需要曝气提供电子受体，降低能耗。同时，
1绪论5由于取消了PEM隔膜的使用，不仅使系统内阻大大降低、输出功率提高，还节约了构造成本，更利于工程实践。图1.3首个单室MFC系统示意图图1.4单室管状1.2.3微生物燃料电池的研究现状（1）废水净化和产电性能MFC系统因其在废水处理过程中的可持续发电而被广泛认可。该系统处理污水具有节能、减少污泥体积以及生物产电等优点，被认为是解决水和能源问题的伟大解决方案[26,27]。近年来，国内外学者对MFC系统在生物能源和废水处理方面的研究取得了很大的进展，包括废水处理与回收、生物发电、发电与废水处理、电极材料、薄膜、产电微生物、设计与配置、生物制氢、生物传感器、MFC类型以及其他系统相结合。处理不同废水时MFC系统的废水净化效率以及产电性能如表1.1所示。目前MFC系统已被应用于处理各种含有可降解的有机化合物和营养物质的废水，如植物油工业废水、木薯厂废水、酒厂废水、乳制品废水、炼油废水、海产品加工废水、食品加工废水、养殖废水、棉纺织业废水等。表1.1MFC系统处理不同废水时的净化效率以及产电性能废水类型去除效率（%）功率密度参考文献城市污水70~90%COD7~60W·m-3[28]植物油工业废水67.3%硫酸盐；73.6%磷酸盐；80~90%COD6119mW·m-2[29]酒厂废水66~79%COD；40%总溶解性固体（TDS）；97%总悬浮固体（TSS）836.8mW·m-2[30]乳制品废水90.5%COD；81.7%BOD5；73.22%NH3，NH4+69.43%；39.43%SO42-；70.17%TSS；64.6%挥发性SS621.13mW·m-2[31]炼油废水除油率84.3%330.4mW·cm-3[32]
【参考文献】：
期刊论文
[1]UASB+A/O工艺在啤酒废水处理中的工程应用[J]. 张薇薇. 环境与发展. 2019(06)
[2]MSBR工艺处理啤酒废水工程实践[J]. 何晓云. 化学工程与装备. 2019(02)
[3]微生物燃料电池阴极材料研究进展[J]. 范梦婕,陈柳柳,徐源,陈英文,沈树宝,祝社民. 化工新型材料. 2017(06)
[4]啤酒废水处理中氨氮异常原因分析及处理[J]. 马五一,杨凤娥,刘艳梅,杨瑞仙. 中外酒业·啤酒科技. 2017(07)
[5]水力停留时间对MFC-A2/O工艺处理生活污水的影响[J]. 刘睿,高艳梅,王晓慧,付进南,海热提,罗南,李媛. 环境科学学报. 2017(02)
[6]啤酒生产废水处理工程设计与实践[J]. 王洪庆,乐晨,陈赟,韩颖,陈振. 安徽农业科学. 2016(09)
[7]土壤微生物产电技术及其潜在应用研究进展[J]. 邓欢,薛洪婧,姜允斌,钟文辉. 环境科学. 2015(10)
[8]人工湿地/微生物燃料电池技术的发展现状[J]. 王同悦,Liam Doherty,赵晓红,赵亚乾,胡沅胜,郝晓地. 中国给水排水. 2015(17)
[9]微生物燃料电池与人工湿地耦合系统研究进展[J]. 许丹,肖恩荣,徐栋,吴振斌. 化工学报. 2015(07)
博士论文
[1]低氧活性污泥法除污及污泥减量研究[D]. 徐宇峰.重庆大学 2014
本文编号：3232268
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