混合酶强化剩余污泥微生物燃料电池产电性能和污泥减量化的研究

摘要

微生物燃料电池（microbial fuel cells，简称MFC）是近年来发展起的的一种高效、清洁的新型产电产能技术，通过微生物燃料电池可以将燃料中的化学能直接转化为电能，能量的转化过程少，能源的转换效率高。目前，一些学着将MFC的研究应用于污水、垃圾渗滤液、污泥等环境污染物的治理，通过微生物燃料电池的处理，这些污染物不仅能得到有效处置，还能回收清洁能源。
　　 世界各地建立了大量以活性污泥法处理污水的废水处理系统，解决的污水治理的问题，但是活性污泥法处理污水会产生大量的剩余污泥，其主要成分是蛋白质、碳水化合物和脂肪等长链分子有机物，非常适合作为MFC的燃料。但研究表明，直接以剩余污泥作为燃料，MFC的最大功率密度及污泥的水解率都比较低。这可能是因为大分子有机物的水解速率较慢，而微生物只能利用小分子的有机物，从而影响MFC产电效率及污泥减量化的过程。如何有效地提高污泥中高分子有机物水解速率，提高MFC液相中溶解性有机物浓度，成为强化以剩余污泥为燃料的MFC污泥减量化和产电特性的关键。
　　 为了提高剩余污泥为燃料的微生物燃料电池(sludge microbial fuel cells，SMFC)产电性能以及污泥减量化效果，在不同的温度(40℃、45℃、50℃)研究单室无膜微生物燃料电池中酶对SMFC产电特性的强化效果.加入单一酶（蛋白酶或α-淀粉酶）的结果表明:随着温度的上升，SMFC功率密度均上升，但40℃时强化效果最明显，与加入失活酶的对照组相比分别增加198％、130％.在40℃下，混合酶比（蛋白酶浓度∶淀粉酶浓度）为2∶3时，SMFC最大功率密度为776 mW/m2.随着混合酶中淀粉酶的比例提高，SMFC库伦效率逐渐增加，当混合酶比为4∶1时，CE(库伦效率)可达18.3％，同时TCOD、TSS和VSS去除率分别为70.3％、66.7％和80.4％.因此温度相对较低时外加酶强化效果更明显;与单种酶相比，混合酶对SMFC产电性能和污泥减量化的强化效果更显著。
　　 本课题组在研究了单种酶对剩余污泥微生物燃料电池的产电性能的影响和一定温度下的混合酶对剩余污泥微生物燃料电池的产电特性和污泥减量化强化效果之后，为了进一步弄清楚温度与酶这两个因素对剩余污泥微生物燃料电池的产电特性和污泥减量化的影响，设置了一系列的混合酶（中性蛋白酶:α-淀粉酶）的质量浓度比例，并在40℃、45℃、50℃的条件下运行相应的装置对其进行研究。实验结果表明:温度由40℃上升到45℃时，所有的装置的功率密度都增加，其中中性蛋白酶与α-淀粉酶的比例为3∶1时的功率密度上升的值和上升的比例最大，分别达到1023 mW/m2和639％，所有的装置的污泥减量化效果都增强，污泥减量化效果有随着α-淀粉酶的增加而下降得趋势。温度由40℃上升到45℃时，剩余污泥微生物燃料电池的运行效果的变化趋势不明显。库伦效率随着温度的升高而增加，温度为50℃，酶比为1∶4时的库伦效率最大(23％)。中性蛋白酶与α-淀粉酶的比例为2∶3的装置的污泥减量化效果一直随着温度的上升而增强，在50℃条件下，其TCOD、TSS和VSS的去除率分别为95％、85％和98％，这个减量效果也是整个实验中最好的。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 新能源简介与利用现状

1．1．1 新能源简介

1．1．2 新能源利用现状及存在的问题

1．2 酶的结构和催化机制

1．2．1 酶的组成和结构

1．2．2 酶的结构与催化功能的关系

1．2．3 酶的调节机制

1．3 剩余污泥减量化技术简介

1．3．1 污泥量化的物理工艺

1．3．2 污泥量化的化学工艺

1．3．3 污泥量化的生物工艺

1．4 微生物燃料电池

1．4．1 微生物燃料电池的原理

1．4．2 微生物燃料电池的分类

1．4．3 微生物燃料电池研究进展

1．5 问题与展望

第2章 实验方案和检测方法

2．1 实验内容

2．2 测定方法

2．2．1 污泥和酶的来源

2．2．2 实验仪器与设备

2．2．3 实验装置与运行

2．2．4 电压以及相关物理量的测定

2．2．5 TCOD、SCOD、TSS、VSS的的测定

2．2．6 TSS和VSS的测定

第3章 混合酶强化SMFC性能研究

3．1 引言

3．2 温度对单一酶强化的SMFC功率密度的影响

3．3 混合酶对SMFC库伦效率的影响

3．4 混合酶强化剩余污泥燃料电池库仑效率

3．5 混合酶强化SMFC中污泥的减量化

3．6 讨论

3．7 小结

第4章 温度与混合酶多因素强化SMFC性能研究

4．1 引言

4．2．温度与混合酶多因素强化SMFC的产电特性研究

4．2．1 温度与混合酶对SMFC的功率密度的影响

4．2．2 温度与混合酶对SMFC的库伦效率的影响

4．3 温度与混合酶多因素强化SMFC的污泥减量化效果研究

4．3．1 温度与混合酶多因素强化SMFC的TCOD去除效果研究

4．3．2 温度与混合酶多因素强化SMFC的TSS和VSS去除效果研究

4．3 讨论

4．4 小结

结论

参考文献

致谢

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