不同DO浓度下SMFC中氮迁移转化规律及产电性能研究

摘要

沉积物微生物燃料电池（SMFC）是一个利用产电菌从底物获得电能并能去除污染物的新方法，也是目前从废弃物或废水中回收能量的最直接方法，其阳极埋在水体沉积物中，利用沉积物中的腐殖质、硫化物等还原性污染物作为电子供体，阴极处于上覆水中，可利用其中的硝酸盐、高氯酸盐、重金属离子等氧化性污染物作为电子受体。这种结构的特殊性以及新型的反应模式使其可以实现对水体沉积物和上覆水的同步生物修复并产生电能，而且其可移动性强，无需外加电子供体或受体，可以直接原位应用于河流、湖泊等天然水体，拥有极大的应用前景。然而，性能不稳定、输出功率过低是实现 SMFC实际应用需要突破的瓶颈。本文以接种底泥为沉积物，超纯水为上覆水构建了SMFC体系，考察了不同DO浓度对SMFC体系氮迁移转化以及产电性能的影响。主要实验内容和结果如下：
　　①以黑臭河流底泥为沉积物以及河流原水构建 SMFC体系，进行沉积物产电菌富集，发现经过320hSMFC系统电压达到稳定，产电菌富集成功。
　　②考察了不同DO浓度对SMFC系统内TN去除效能的影响。实验结果表明：反应器运行周期内，DO=3mg/L条件下，TN累积去除率最高，为60.55%；DO=8mg/L条件下，TN累积去除率最低，为38.35%。DO浓度过高或过低都不利于SMFC对氮的去除。
　　③考察了不同DO浓度对SMFC沉积物LOI去除效能的影响。实验结果表明：DO=8mg/L条件下，沉积物LOI去除率最高，为33.4%，DO=0mg/L条件下，沉积物LOI去除率最低，为12.3%。DO浓度与沉积物LOI去除率呈正相关，DO浓度越高，越有利于沉积物中有机质的降解。
　　④考察了不同DO浓度对SMFC系统中氮形态的迁移转化的影响。实验结果表明：DO浓度对SMFC系统内氮的迁移转化影响很大，DO=0mg/L条件下，SMFC系统内氮的去除途径主要是厌氧氨氧化，次要是电化学还原；DO=1mg/L条件下， SMFC系统内氮去除途径是电化学还原以及短程硝化反硝化；DO=3mg/L条件下， SMFC系统内氮去除途径是电化学还原以及同步硝化反硝化；DO=5mg/L条件下， SMFC系统内氮去除主要途径主要是同步硝化反硝化，次要是电化学还原。
　　⑤考察了不同DO浓度对SMFC系统产电性能的影响，实验结果表明：随着上覆水DO浓度的增大，SMFC体系的输出电压、电流密度以及功率密度都在增大， DO浓度是影响阴极电势高低的主要因素之一。
　　论文通过不同DO浓度条件对SMFC系统中氮元素迁移转化以及产电性能影响的研究，为 SMFC作为黑臭水体沉积物电化学原位修复并回收电能这一技术的实际应用提供了理论支持，具有重要的学术意义和应用前景。

目录

1 绪 论

1.1论文研究背景

1.2国内外研究现状

1.3论文研究目的、内容

1.4技术路线图

2 试验材料与方法

2.1试验装置

2.2实验用水以及沉积物

2.3仪器和设备

2.4实验材料

2.5实验方法

2.6分析项目与检测方法

2.7微生物学检测方法

2.8实验安排

3 DO对SMFC系统中污染物去除效能研究

3.1 SMFC系统的启动

3.2不同DO浓度下系统中TN去除率

3.3 不同DO浓度下沉积物有机质去除率

3.4本章小结

4 不同DO浓度对SMFC内部氮元素迁移转化的影响

4.1 SMFC系统内氮形态迁移转化过程

4.2不同DO条件对反应器内氮含量的影响

4.3 SMFC反应器内阴极生物膜微生物分析

4.4本章小结

5 不同DO浓度对SMFC产电性能的影响

5.1不同DO浓度下SMFCs电压变化

5.2不同DO浓度下SMFCs电流密度变化

5.3 SMFC系统产电性能与污染物去除性能的关系

5.4本章小结

6 结论与建议

6.1结论

6.2建议

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目：