微生物电解池新评价指标应用及放大式反应器产甲烷分析

摘要

微生物电解池（Microbial electrolysis cell,MEC）是一种新型的且能兼顾氢气或甲烷回收的废水处理技术。MEC具有很好的应用前景，但在发展过程中存在诸多挑战，如阴极材料的廉价化与高效化、评价体系有待完善以及连续流放大式MEC的运行效能有待进一步解析。面对上述挑战，本文考察了活性炭催化剂在微型MEC中的产氢效能，同时基于传统评价体系和新型的评价体系进行性能分析，探讨新型评价体系的可用性。本实验搭建了挡板式微生物电解池（baffled microbial electrolysis cell, ABR-MEC），研究了ABR-MEC连续流运行效能，解析了甲烷可能的来源和阳极生物膜群落结构的动态变化。最后，本文探讨了ABR-MEC在连续流运行状态下的产甲烷效能与能量效益。
　　本实验研究了活性炭-钢网阴极MEC（AC/SS-MEC）在不同外加电压下的产氢效能。基于传统的评价体系，AC/SS-MEC在1.4V下能够获得最高的最大电流密度和最大产氢速率，在1.0V和1.2V下能够获得最高的能量效率，并发现其产氢效率随外加电压的变大而升高。基于新型的评价体系，AC/SS-MEC在1.2V下能够获得最高的平均电流密度和最高的平均产氢速率，探明了产氢效率随外加电压的变大而升高的原因，并引入废水处理效率用以表征AC/SS-MEC的能量效率。
　　本实验研究了ABR-MEC在不同水力停留时间（HRT）下的运行效能。当HRT从2天缩短至1天时，氢气日产量降低，甲烷日产量上升。随着HRT从1天继续缩短至0.5天，氢气日产量降低，甲烷日产量也有所下降。通过简化的电子平衡计算解析了ABR-MEC产甲烷的可能来源，发现在HRT为2天时，主要来源可能是嗜氢产甲烷菌。当HRT缩短至1天时，主要来源可能是嗜乙酸产甲烷菌。通过高通量测序技术解析了ABR-MEC阳极生物膜群落结构随HRT的缩短而产生的变化，发现随 HRT从1天缩短至0.5天，产电微生物群落受到一定的抑制，影响了ABR-MEC的产电与产氢效率，降低了ABR-MEC的产甲烷效率。
　　最后，本实验通过外加电压和底物浓度的调节，研究了ABR-MEC连续流产甲烷效能，结果表明，相比于提高底物浓度，提高外加电压有助于ABR-MEC产甲烷效能的迅速增强，但外加电压的变大却降低了ABR-MEC的能量效益。因此，当为连续流放大式MEC选择合适的外界条件时，应综合考虑其运行效能和能量效益。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 微生物电解池

1.3 微生物电解池技术优势

1.4 微生物电解池研究进展及主要问题

1.5 本课题的主要研究内容和技术路线

第2章 实验材料与方法

2.1 MEC反应器构型

2.2 MEC启动和运行

2.3 MEC性能评价

2.5 微生物群落结构分析方法

第3章 新型评价指标在活性炭阴极催化剂MEC中的应用

3.1 引言

3.2 基于传统评价体系的活性炭阴极催化剂MEC运行性能分析

3.3 基于新型评价指标的活性炭阴极催化剂MEC运行性能分析

3.4 本章小结

第4章 ABR-MEC在不同水力停留时间下运行效能及甲烷来源分析

4.1 引言

4.2 ABR-MEC在不同水力停留时间下的运行效能

4.3 ABR-MEC在不同水力停留时间下的产甲烷来源分析

4.4 ABR-MEC在不同水力停留时间下的阳极生物膜群落结构解析

4.5 本章小结

第5章 ABR-MEC在不同外加电压和底物浓度条件下的产甲烷效率分析

5.1 引言

5.2 电流密度与COD转化率

5.3 产甲烷效率

5.4 挥发酸变化

5.5 能量效率

5.6 酸化对ABR-MEC性能的影响及其恢复状况

5.7 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

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