油田采出水在MFC中产电性能与废水处理的应用

摘要

微生物燃料电池(MFC)是一种利用生物质及微生物进行电能生产的新型装置。将MFC用于废水处理，利用微生物作为催化剂将有机废水中的化学能转化为电能，在废水得以处理的同时又将能源回收利用，这对实现可持续发展起着重要的作用。油田采出水中含有大量难降解的石油类、聚合物、表面活性剂等有机物质，本研究是首次采用水驱采出水、聚驱采出水和三元复合驱采出水三种主要油田采出水分别作为MFC阳极底物，研究其产电性能及主要污染物去除效果。缓冲溶剂(PBS)、温度和阴极类型是影响MFC性能的重要因素，有必要对其进行深入的研究。本实验以双室微生物燃料电池为研究对象，阴、阳极为碳纤维，用钛丝连接阴阳极，在500Ω外电阻下运行。阳极污泥来源于污水处理厂，启动时添加0.1 g/L的葡萄糖为底物，运行稳定后以油田采出水作为唯一碳源。
　　为了研究PBS对三种油田采出水分别作为阳极底物的MFC的影响，本研究在20℃，阴极为K3Fe(CN)6溶液前提下，运行添加PBS与原水分别作为阳极底物的6组MFC。水驱原水、添加PBS水驱采出水、聚驱原水、添加PBS聚驱采出水、三元原水与添加PBS三元驱采出水获得的最大输出电压分别为426 mV、458 mV、586 mV、631 mV、625 mV与723 mV，最低阳极电势分别为-152 mV、-182 mV、-309 mV、-352 mV、-348 mV与-446mV。一个运行周期内随着反应进行，六组微生物燃料电池的阴极电势变化不大，维持在267～276 mV。水驱采出水、聚驱采出水与三元复合驱采出水三种原水的pH分别降低1.28、1.73、1.77。结果表明PBS对MFC输出电压影响主要来自阳极电势的贡献;不添加PBS可以在反应过程中有效降低采出水的pH。
　　在其他条件保持不变的前提下，选择三元采出水原水作为阳极底物。35℃、30℃、20℃和15℃最大的电压输出分别为808 mV、744 mV、625 mV与339 mV，最大的输出功率分别达到3.715 mW、1.989 mW、0.804 mW与0.232 mW，内阻分别为71Ω、128Ω、320Ω与735Ω库伦效率分别为31.23％、29.79％、25.48％与19.55％，COD去除率则分别为34.46％、33.03％、32.01％与10.11％。结果表明温度对输出电压、输出功率与库伦效率等都有明显的影响。
　　在35℃以三元采出水原水为阴、阳极底物的条件下，运行生物阴极。溶解氧梯度实验表明，生物阴极MFC阴极液最佳溶解氧浓度(DO)介于3～4 mg/L之间，在此浓度下，MFC的库仑效率和输出功率最高。在相同条件下，阴极溶液氧浓度为3 mg/L的生物阴极MFC与铁氰化钾阴极MFC最大电压分别为925 mV、808 mV，输出功率分别为5.74 mW、3.715 mW，库伦效率分别为23.23％、20.23％，COD去除率分别为34.46％、34.07％。结果表明，生物阴极对MFC的输出电压、输出功率与库伦效率均有明显影响。普通好氧生物处理与生物阴极的采出水主要污染物去除效果接近，但生物阴极有效控制了采出液好氧生物处理pH升高问题。
　　三种采出水中三元采出水MFC产电性能与水质净化效果最好，更适合应用于MFC。三元采出水中主要污染物去除效果:石油类物质＜聚合物＜表面活性剂。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 MFC的原理与分类

1．2．1 MFC的基本原理

1．2．2 MFC的分类

1．3 MFC在废水处理中的应用

1．4 研究的主要内容与技术路线

1．4．1 主要内容

1．4．2 技术路线

2 实验材料与方法

2．1 实验装置与实验材料

2．1．1 实验装置

2．1．2 实验仪器与药品

2．2 MFC监测与分析方法

2．2．1 MFC监测项目

2．2．2 分析计算方法

2．3 反应器接种与启动

2．3．1 三种油田废水性质与污泥驯化

2．3．2 不同阶段的反应器接种与启动

3 PBS对三种油田采出水作为阳极底物的MFC的影响研究

3．1 PBS对MFC产电能效的影响

3．1．1 添加PBS的采出水作为阳极底物时对MFC电势的影响

3．1．2 PBS缓冲体系对MFC阳极电势的影响

3．2 PBS对MFC的pH及COD去除率与库伦效率的影响

3．2．1 MFC运行中pH的变化

3．2．2 PBS对COD去除率与库伦效率的影响

3．3 MFC对油田采出水的主要污染物去除效果

3．4 本章小结

4 三元复合驱采出水MFC在不同温度下性能的研究

4．1 三元复合驱采出水MFC在不同温度下的产电性能

4．1．1 不同温度下输出电压与阴阳极电势的变化

4．1．2 不同温度下的极化曲线与输出功率

4．2 不同温度下MFC阳极水质净化效果

4．2．1 pH的变化

4．2．2 不同温度下MFC的COD去除率与库伦效率的变化

4．2．3 温度对三元复合驱采出水中主要污染物去除效果影响

4．3 本章小结

5 三元复合驱采出水作为MFC生物阴极的产电能效及水质净化效果

5．1 溶解氧对生物阴极MFC产电影响

5．1．1 溶解氧浓度对输出电压与阴、阳极电势的影响

5．1．2 溶解氧浓度对MFC库伦效率的影响

5．2 生物阴极废水处理与普通好氧生物处理的效果比较

5．2．1 生物阴极MFC阴极溶液pH与普通好氧生物处理的比较

5．2．2 COD去除率与主要污染物去除效果比较

5．3 生物阴极MFC与非生物阴极MFC的比较

5．3．1 产电能效比较分析

5．3．2 废水净化效果比较

5．4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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