微生物电化学系统处理食物残渣与能源回收

摘要

目前在全世界范围内食物残渣的产量是极为巨大的。同时食物残渣具有易生物降解、挥发性固体含量高，碳氮比高等特性，其中蕴含着大量的可被再次利用的潜在能源，若得到合适的开发将带来可观的能源产量。近年来，微生物电化学系统作为可同步实现有机物去除与能源回收的新型有机废物资源化处理技术之一，引起了广泛的研究热潮。微生物电化学系统主要包括微生物燃料电池（MFCs）与微生物电解池（MECs）两种形式。本文中考察了利用微生物电化学系统处理食物残渣的可行性与稳定性。讨论了以食物残渣作为底物的MFCs的产电效果及微生物群落结构分布，同时为进一步提高产电效能，考察了将碱预处理剩余污泥以一定比例与食物残渣混合在MFCs系统中的共代谢过程对其产电性能的改善作用。另一方面，对以食物残渣为底物的MECs的最佳外电压值进行优化以得到最佳产气效果。
　　开展了以最佳产电效能与污染物去除效果为目标，对食物残渣作为MFC底物的进水浓度的优化研究。在所讨论的三种浓度中，即DF-10（COD=4900±350mg/L），DF-15（COD=3200±400mg/L）与DF-25（COD=2000±100mg/L）， DF-15表现出最高的产电功率密度与有机物去除效果。其最高产电功率密度达~18W/m3(~556 mW/m2)，库伦效率为~23.5％。COD、总糖、可溶性蛋白及总氮去除率分别为~86.4%，~95.9%，~67.1%和~16.1%。利用454高通量测序技术对以食物残渣为底物的MFC阳极生物膜群落结构进行解析，产电微生物Geobacter与发酵细菌Bacteroides之间的互养关系有效的实现了MFC对食物残渣有机物的利用及去除和同步产电。
　　以进一步提高以食物残渣为底物的MFC产电功率密度为目标，探究了将碱预处理剩余污泥以一定比例与食物残渣混合对MFC产电效能的改善作用。维持各混合物的COD为~3500mg/L，在所讨论的4种混合比例（10/0，8/2，7/3与5/5）中，最佳混合比例为7/3，MFC最大功率密度达~30 W/m3，较以单独食物残渣为底物的MFC的功率密度提高了近43%，TCOD的去除率达76.3±1.2%。
　　以食物残渣作为MEC底物成功地实现了氢能的回收与有机污染物去除。对以食物残渣为底物的MEC的外加电压值进行优化，在所讨论的4种外加电压值（0，0.6V，0.9V与1.1V）条件下，0.9V下MEC表现出最佳产气效果，氢气产率达35.7±1.9mgH2/g-COD，平均产氢速率为0.36±0.09 m3H2/m3-Reactor/d，库伦效率与阴极氢气回收效率分别为82.6±5.3%与53.2±6.1%，TCOD，总糖及可溶性蛋白质的利用率分别为80.4±4.8%，95.4±0.7%与86.4±3.9%。与开路对照相比，MEC系统从一定程度上缓解了厌氧过程中的丙酸积累。
　　微生物电化学系统有效实现了食物残渣的资源化处理，达到了有机污染物去除与同步清洁能源回收，是具有广阔发展前景的新型有机废物资源化处理技术。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及研究目的和意义

1.2 微生物燃料电池工作原理及其处理食物残渣研究现状

1.3 微生物电解池的工作原理及研究现状

1.4 课题来源，研究内容及技术路线

第2章 材料与方法

2.1 食物残渣及剩余污泥样品制备

2.2 MFC与MEC反应器构建及启动

2.3 MFC与MEC反应器性能评价指标及计算方法

2.4 化学分析检测方法

2.5 阳极生物膜群落结构分析

第3章 MFC处理食物残渣效果研究及阳极生物膜群落结构分析

3.1 引言

3.2 以食物残渣为底物的MFC运行效果分析

3.3 加入剩余污泥改善以食物残渣为主要底物的MFC产电性能

3.4本章小结

第4章 微生物电解池处理食物残渣产氢效果分析

4.1 引言

4.2 以食物残渣为底物的MEC接种启动

4.3 以食物残渣为底物的MEC产氢效果分析

4.4 以食物残渣为底物的MEC氢及能量收益分析

4.5 以食物残渣为底物的MEC有机物去除效果分析

4.6 本章结

结论

展望

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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