微生物燃料电池—人工湿地系统处理污水效果及产电性能

摘要

针对目前我国水资源严重短缺，城镇污水处理率不高等问题，本文提出微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）—人工湿地（Constructed wetland，CW）系统，在处理生活污水的同时将污水中化学能以电能的形式回收，实现污水处理及资源化。
　　MFC-CW系统阳极区填充3种粒径的活性炭颗粒，阴极采用生物阴极。研究5个水力停留时间下MFC-CW系统的污水处理效果及产电性能，优化出MFC-CW系统处理生活污水效果最好的2个水力停留时间（HRT）。在优化出的2个HRT下以相同条件运行MFC-CW系统和CW系统，考察生物产电对CW系统处理生活污水的促进效果。在HRT为12h下对MFC-CW系统和CW系统不同基质层出水进行树脂分级实验，研究出水中溶解性有机污染物（DOM）中不同组分的分布情况及在系统中的迁移转化规律。
　　考察5个HRT下MFC-CW系统处理生活污水效果及产电性能，结果表明：随着 HRT的延长，系统对污水中COD和NH4+-N的去除率呈现先升高后降低的趋势，SS去除效率逐渐增加。当HRT为12h时，系统对COD和NH4+-N的去除效果最好，分别达到89.2％和36.0%，SS为93.2%。系统内阻随HRT的延长呈现逐渐增大的趋势，当 HRT为6h时，系统稳定输出电压为0.68V，系统获得最小内阻为46.2?和最大功率密度为1.30W/m3。当HRT为48h时，获得最大库伦效率为7.96%。系统阴极停止曝气后12h时，阴极区溶解氧由7.3mg/L降低到2.0mg/L，对应系统输出电压下降0.002V，当停止曝气时间达到24h时，输出电压降低0.009V。
　　MFC-CW系统和CW系统在2个HRT下的实验结果表明：MFC-CW系统不同基质层出水的PH值均略小于CW系统，水力停留时间越长（48h）两系统出水的PH值越小。HRT为12h时，MFC-CW系统出水COD去除率达到83.1%，CW系统为74.6%，生物产电作用有助于CW系统对污水中COD的降解。HRT为12h时MFC-CW系统对TN去除率达到16.6%，HRT为48h时去除率达到8.3%。TN主要来自于NH4+-N，HRT为48h时，MFC-CW系统各层基质对NH4+-N的去除率分别为4.5%、3.4%和2.0%。
　　对系统不同基质层出水DOM进行树脂分级实验结果表明：随着基质层的加深两个系统对DOC的去除效果均有提高。生物产电作用可以促进CW系统对HPI、HPO-A和HPO-N的降解；而HPO-N和TPI-N可以被完全降解；MFC-CW系统和CW系统对TPI-A的去除效果较差几乎没有。MFC-CW系统上层基质对UV-254的去除效果（74.2%）已优于CW系统下层处理效果（69.9%）。进一步分析表明，生物产电作用主要促进CW系统对亲水性（HPI）蛋白质的降解，而CW系统对TPI-A组分表征的蛋白质的降解效果优于MFC-CW系统。MFC-CW系统较CW系统对多糖的去除效果好。MFC-CW系统不仅对细胞代谢产物有较好的处理效果而且对CW系统不能降解的富里酸类荧光物质也具有去除作用，而腐殖酸类荧光物质在MFC-CW系统不同基质层中呈现逐渐积累的趋势。

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第1章 绪 论

1.1水污染现状及问题

1.2人工湿地的发展现状

1.3微生物燃料电池（MFC）

1.4 MFC-CW 现状

1.5污水中有机物的研究现状

1.6课题研究的目的、意义和内容

第2章 实验材料与方法

2.1 引言

2.2 实验原料

2.3实验装置与运行方式

2.4电化学分析方法

2.5 分析与计算方法

第3章 MFC-CW系统的启动及不同HRT下污水处理效果及产电性能

3.1 引言

3.2 MFC-CW系统的启动和运行

3.3 MFC-CW系统对污水处理效能

3.4不同水力负荷下污水处理效果

3.5 MFC-CW系统的产电性能

3.6本章小结

第4章 不同HRT下MFC-CW系统与CW系统的对比

4.1引言

4.2 MFC-CW系统及CW系统在不同HRT下对污水处理效能

4.3 MFC-CW产电性能评价

4.4 本章小结

第 5 章 MFC-CW 系统与 CW 系统对污水中溶解性有机物的去除效能对比

5.1 引言

5.2 MFC-CW系统与CW系统处理污水中DOM结果分析

5.3 MFC-CW系统与CW系统处理污水后有机物组分光谱分析

5.4 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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