双阴极MFC系统对生活污水脱氮除磷效能及产电性能研究

摘要

废水中的氮和磷污染是一个全球性的环境问题。它们广泛存在于养殖废水和生活污水中，导致水体富营养化问题日益严重。传统的废水生物处理需要额外的碳源和动力输入以维持高的去除效率，这增加了处理的成本。微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）是一种利用微生物作为催化剂直接将废水中的有机化学能转化为电能的装置。本实验通过构建双阴极MFC系统，实现污水有机物降解产电同步脱氮除磷，为实现污水处理及资源化提供理论基础。
　　通过人工模拟废水启动双阴极MFC系统，经过33 d的运行成功启动，系统的最大瞬时电压突破了812 mV，内阻值为113.7Ω，最大功率密度达到3.24 W/m3。实验结果表明，双阴极MFC系统的有机物以及氮、磷污染物去除效果略优于非产电系统，这说明生物产电的引入可以强化系统内污染物的降解效果。
　　在厌氧-缺氧-好氧和厌氧-好氧-缺氧的两种运行模式下，分别采用人工配水和生活污水为实验进水，考察双阴极MFC系统各极室内污染物随时间的变化情况，并与非产电系统作比较。研究表明，氨氮主要在厌氧室和好氧室被去除。厌氧-好氧-缺氧的运行模式对总氮的去除效果略优于厌氧-缺氧-好氧的运行模式。在两种运行模式下，系统各极室对总磷的去除效果较一致，总磷主要是在好氧室被去除。
　　厌氧-好氧-缺氧的运行模式对氮的去除效果更优，因此采用该种运行模式对系统运行参数进行优化。研究发现，适当延长水力停留时间可以提高污水中有机物和氨氮、总氮的去除率，在本实验中较为合理的水力停留时间为20 h。系统对氨氮、总氮的去除率均随着进水负荷的增加先增加后降低，综合考虑系统的最优进水负荷为250 mg/L。系统的产电效果受进水pH的影响较大，而在酸性条件下，产电性能受到明显抑制，考虑进水为中性或弱碱性为最佳。
　　通过Illumina高通量测序对双阴极MFC系统各极室的微生物群落结构进行分析。通过微生物群落组成分析发现，在极室内有大量与产电相关的细菌，这些产电菌的存在是系统具有良好的产电效果的生物学基础。同时还在反应器中存在有与脱氮除磷有关的细菌，这些菌种均对双阴极MFC系统的脱氮除磷效果有一定的促进作用。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景

1.3 MFC脱氮除磷的研究现状

1.4 MFC处理污水的可行性分析

1.5 课题研究意义及主要研究内容

第2章 实验装置与方法

2.1 实验装置

2.2 实验方法

2.3 分析测试方法

第3章 间歇流下双阴极MFC系统运行效果

3.1 引言

3.2 双阴极MFC系统的启动及稳定运行

3.3 间歇流下双阴极MFC系统运行效果

3.4 本章小结

第4章 连续流下双阴极MFC系统运行效果

4.1 引言

4.2 HRT对反应器脱氮除磷及产电特征的影响

4.3 进水负荷对反应器脱氮除磷及产电特征的影响

4.4 进水pH对反应器脱氮除磷及产电特征的影响

4.5 本章小结

第5章 MFC微生物群落研究

5.1 引言

5.2 种群丰度和多样性分析

5.3 种群的差异分析

5.4 群落结构组成分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢