生物阴极型微生物燃料电池处理含盐氨氮废水及产电性能的研究

发布时间：2017-05-07 11:10

  本文关键词：生物阴极型微生物燃料电池处理含盐氨氮废水及产电性能的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：生物阴极型微生物燃料电池是阴极以微生物作为催化的一种微生物燃料电池,可用于多种污染物质的去除,是近年微生物燃料电池的研究热点之一。本文构建生物阴极型微生物燃料电池,阳极室的出水进入间歇曝气的阴极室进行硝化反硝化反应,达到去除有机物和氨氮的同时能够回收电能的目的。以自配含盐氨氮废水作为处理对象,第一阶段优化BCMFC性能：探究外接电阻、盐度、溶解氧(DO)、水力停留时间(HRT)以及碳氮比对BCMFC同时脱氮除碳及产电性能的影响。获得最佳运行条件：第二阶段,拟合阳极有机物降解和阴极氨氮去除的动力学方程,分析不同运行条件对BCMFC系统性能的动力学方面的影响；第三阶段,分析盐度和DO对硝化反硝化酶的活性的影响。得出如下实验结果：(1)最佳运行条件是盐度为10%海水比例、外接500Ω电阻、DO为4.0-5.0mg/L、HRT为20 h、碳氮比为25：1。当进水氨氮浓度约为70 mg/L、COD浓度约1600 mg/L时,氨氮的去除率约为95.76%、COD去除率为99%、总氮去除率为80.11%、最大输出功率为1536 mW/m3、最大电流密度为3200 mA/m3、内阻为224 Ω。对BCMFC性能影响最大的因素是盐度和DO。随着盐度至50%海水比例时,BCMFC的性能未受到明显的影响,当盐度升高至70%海水比例时COD、氨氮和总氮的去除率分别降至85%、66.67%和52.55%,最大输出功率为175 mW/m3、最大电流密度1364 mA/m3,内阻达到1352 Ω, BCMFC脱氮除碳效果变差,内阻增加,产电性能下降。随着DO从0.2 mg/L增加至7 mg/L,10%海水比例下BCMFC的产电性能上升,最大输出功率密度从57增加至2500 mW/m3,内阻从2380 Ω降低至165 Ω。(2)最佳运行条件下的动力学分析结果如下：阳极COD降解和阴极氨氮的去除均符合一级反应动力学,阳极降解COD过程拟合方程为y=-0.123x+0.0771,回归系数R2=0.983。阴极去除氨氮过程拟合方程为y=-0.00625x+0.0728,回归系数R2=0.968。在盐度影响下,阳极COD的降解符合一级反应动力学,且一级反应速率常数在10%海水比例时最高(0.123)是70%海水比例(0.051)的2.41倍：阴极氨氮的去除,当盐度增加至30%海水比例时,反应级数由一级变成二级,二级反应速率常数由9.92×10-5(30%海水比例)降至1.20×10-5(70%海水比例),说明盐度对阳极COD的降解影响较小,对阴极氨氮的去除影响较大。随着DO浓度的增加,阳极COD的降解基本符合一级动力学方程,DO为7mg/L反应速率常数是DO为0.2 mg/L的4.6倍。说明DO对阳极微生物降解COD的过程影响较大。DO=4.6 mg/L与DO=7 mg/L的反应速率常数较为接近；阴极氨氮的去除基本符合一级动力学,反应速率常数随着DO的增加而增大,DO为7 mg/L的一级反应速率常数是DO为2 mg/L的10.5倍。对比幂函数动力学模型和Monod模型,得出Monod模型拟合时相关性较差,不适合用来拟合阳极降解COD过程和阴极去除氨氮过程。(3)盐度对硝化反硝化过程影响比较明显,高盐度会造成亚硝酸盐的积累,影响了氨单加氧酶的活性。高盐度影响反硝化过程,使得在高盐度情况下,硝酸盐还原酶和亚硝酸还原酶的活性有所差异。溶解氧对氨单加氧酶的影响较小,主要影响亚硝酸氧化还原酶、硝酸盐还原酶和亚硝酸还原酶的活性。
【关键词】：盐度 生物阴极型微生物燃料电池 脱氮除碳 产电性能 动力学分析
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703;TM911.45
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 前言14-15
• 1 绪论15-25
• 1.1 微生物燃料电池的介绍15-16
• 1.2 生物阴极型微生物燃料电池的研究进展16-20
• 1.2.1 非生物阴极16-17
• 1.2.2 生物阴极17-20
• 1.3 含盐废水有机物和氨氮处理的研究进展20-21
• 1.4 生物阴极型MFC处理脱氮除碳的研究21-23
• 1.5 课题的研究背景、目的和意义23-25
• 1.5.1 选题背景23
• 1.5.2 课题研究目的和意义23-25
• 2 实验材料与方法25-32
• 2.1 生物阴极型微生物燃料电池和实验系统25-26
• 2.1.1 生物阴极型微生物燃料电池的构建25
• 2.1.2 BCMFC的接种与启动25-26
• 2.2 实验试剂和仪器26-29
• 2.2.1 实验试剂26-28
• 2.2.2 主要仪器28-29
• 2.3 数据采集装置与方法29
• 2.4 BCMFC产电性能分析方法及计算方法29-31
• 2.4.1 电流密度和功率密度29-30
• 2.4.2 极化曲线30
• 2.4.3 内阻的测定30-31
• 2.5 BCMFC水质化学分析方法31-32
• 3 BCMFC处理含盐氨氮废水及产电性能32-65
• 3.1 引言32
• 3.2 材料与方法32-33
• 3.2.1 试剂与仪器32-33
• 3.2.2 实验装置与实验方法33
• 3.3 不同外电阻条件BCMFC脱氮除碳及产电性能33-39
• 3.3.1 不同外电阻条件对BCMFC氨氮去除的影响34-35
• 3.3.2 不同外电阻条件对BCMFC三氮变化的影响35-36
• 3.3.3 不同外电阻条件对BCMFC有机物的影响36-37
• 3.3.4 不同外电阻条件对BCMFC产电性能的影响37-39
• 3.4 不同盐度下BCMFC脱氮除碳及产电性能39-46
• 3.4.1 不同盐度对BCMFC氨氮去除的影响39-40
• 3.4.2 不同盐度对BCMFC三氮去除的影响40-41
• 3.4.3 不同盐度对BCMFC有机物去除的影响41-43
• 3.4.4 不同盐度对BCMFC产电性能的影响43-46
• 3.5 不同溶解氧下BCMFC脱氮除碳及产电性能46-53
• 3.5.1 不同溶解氧对BCMFC氨氮去除的影响46-47
• 3.5.2 不同溶解氧对BCMFC三氮去除的影响47-49
• 3.5.3 不同溶解氧对BCMFC有机物去除的影响49-50
• 3.5.4 不同溶解氧对BCMFC产电性能的影响50-53
• 3.6 不同水力停留时间下BCMFC脱氮除碳及产电性能53-57
• 3.6.1 不同HRT对BCMFC氨氮去除的影响53-54
• 3.6.2 不同HRT对BCMFC三氮去除的影响54-55
• 3.6.3 不同HRT对BCMFC有机物去除的影响55-56
• 3.6.4 不同HRT对BCMFC产电性能的影响56-57
• 3.7 不同碳氮比下BCMFC脱氮除碳及产电性能57-63
• 3.7.1 不同碳氮比对BCMFC氨氮去除的影响57-58
• 3.7.2 不同碳氮比对BCMFC三氮去除的影响58-60
• 3.7.3 不同碳氮比对BCMFC有机物去除的影响60-61
• 3.7.4 不同碳氮比对BCMFC产电性能的影响61-63
• 3.8 本章小结63-65
• 4 BCMFC基质降解动力学的研究65-82
• 4.1 引言65
• 4.2 材料与方法65-68
• 4.2.1 材料与仪器65-66
• 4.2.2 实验装置与方法66
• 4.2.3 指标测定方法66
• 4.2.4 基质降解动力学模型的建立66-68
• 4.3 不同盐度下BCMFC基质降解动力学68-72
• 4.3.1 不同盐度下阳极降解COD的动力学68-69
• 4.3.2 不同盐度下阴极去除氨氮的动力学69-72
• 4.4 不同DO下BCMFC基质降解动力学72-75
• 4.4.1 不同DO下阳极降解COD的动力学72-73
• 4.4.2 不同DO下阴极去除氨氮的动力学73-75
• 4.5 不同HRT下BCMFC基质降解动力学75-77
• 4.5.1 不同HRT下阳极降解COD的动力学75-76
• 4.5.2 不同HRT下阴极去除氨氮的动力学76-77
• 4.6 不同外电阻下BCMFC基质降解动力学77-79
• 4.6.1 不同外电阻下阳极降解COD的动力学77-78
• 4.6.2 不同外电阻下阴极去除氨氮的动力学78-79
• 4.7 幂函数动力学模型与Monod模型的比较79-80
• 4.7.1 阳极去除COD的幂函数动力学模型与Monod模型的比较79
• 4.7.2 阴极极去除COD的幂函数动力学模型与Monod模型的比较79-80
• 4.8 本章小结80-82
• 5 BCMFC中酶活性的测定82-88
• 5.1 引言82
• 5.2 材料与方法82-85
• 5.2.1 材料与仪器82
• 5.2.2 实验装置与方法82
• 5.2.3 指标测定方法82-85
• 5.3 盐度对硝化反硝化酶活性的影响85-86
• 5.4 溶解氧对硝化反硝化酶活性的影响86-87
• 5.5 本章小结87-88
• 6 研究结论与展望88-90
• 6.1 研究结论88-89
• 6.2 展望89-90
• 参考文献90-95
• 致谢95-96
• 个人简历96
• 发表的学术论文96

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