外加酶强化剩余污泥微生物燃料电池的产电性能及基质变化研究

摘要

微生物燃料电池(简称MFC)是近年发展起来的一种将燃料中的化学能直接转化为电能的高效、清洁的新型产电技术。与传统的氢氧燃料电池(RFC)、固体氧化物燃料电池(SOFCA)等相比,具有广泛的燃料来源,并能达到产电与污染物处理的双重功效。研究证明,与以纯物质为燃料相比,以混合物为燃料的MFC产生的最大功率密度低,但利用混合有机物作燃料更具有实际应用价值。目前一些研究者将MFC的研究应用于污水、污泥、垃圾渗滤液等环境污染物的治理,这些污染物不仅能得到有效处理,还能产生清洁能源。
　　 剩余污泥是活性污泥法处理污水的产物,含有大量的有机质,如蛋白质、碳水化合物和脂肪等长链分子有机物,具备作为MFC燃料的潜在条件。但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较低。这可能是因为大分子有机物的水解速率较慢,限制了有机物生物降解速率,影响MFC产电效率及污泥减量过程。如何有效地水解污泥中高分子有机物,提高SCOD浓度,是强化以剩余污泥为燃料的MFC产电特性和污泥减量化的关键。酶强化污泥技术不仅改善污泥消化性能,强化污泥水解效率,且经济效益高,无二次污染问题。
　　 本实验将酶促污泥水解作用与剩余污泥微生物燃料电池相结合,考察外加酶(中性蛋白酶、α-淀粉酶)对以剩余污泥为燃料的微生物燃料电池产电特性的强化作用及对污泥减量程度的影响。结果表明:外加酶对微生物燃料电池产电特性具有显著的强化作用,同时剩余污泥的减量化程度也得到明显提高;酶最佳投加量10 mg·g-1时,SSMFC输出的最大功率密度及污泥减量取得最大值,即中性蛋白酶组产生的最大功率密度、库仑效率、TCOD去除率、TSS去除率、VSS去除率分别为507 mW·m-2、3.98％、88.31％、83.18％、89.03％,而α-淀粉酶组产生的最大功率密度、库仑效率、TCOD去除率、TSS去除率、VSS去除率分别为700mW·m-2、5.11％、94.09％、98.02％、98.80％;α-淀粉酶对MFC产电特性及污泥减量的强化作用强于中性蛋白酶;系统运行过程中,酶活性、蛋白质、溶解性糖都先迅速增加至最大值后缓慢降低。

目录

文摘

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论文说明:图表目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.1.1 课题研究的背景

1.1.2 课题研究的意义

1.2 微生物燃料电池(MFC)

1.2.1 MFC的工作原理

1.2.2 MFC的分类

1.2.3 MFC的优势及研究进展

1.3 剩余污泥

1.3.1 污水处理厂的剩余污泥现状

1.3.2 剩余污泥的产生、特性与危害

1.3.3 剩余污泥的处理、处置与资源化

1.4 酶

1.4.1 酶的概念

1.4.2 酶的分类、组成及作用机制

1.4.3 酶的显著特性

1.4.4 酶活性

1.4.5 酶动力学分析

1.5 胞外酶水解剩余污泥

1.5.1 胞外酶水解剩余污泥的原理

1.5.2 胞外酶水解剩余污泥的显著特性

1.5.3 胞外酶水解剩余污泥的研究现状

1.5.4 胞外酶水解剩余污泥的影响因素

1.6 以剩余污泥为燃料的MFC研究现状

1.7 课题研究的主要内容

第2章 酶强化SSMFC产电特性

2.1 前言

2.2 材料与方法

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验设计

2.2.3 测定分析方法

2.3 实验装置与仪器

2.3.1 实验装置

2.3.2 实验主要仪器

2.4 结果与讨论

2.4.1 α-淀粉酶的强化作用

2.4.2 中性蛋白酶的强化作用

2.5 小结

第3章 外加酶SSMFC产电特性的影响因素

3.1 前言

3.2 材料与方法

3.2.1 实验材料

3.2.2 实验设计

3.2.3 测定分析方法

3.3 实验装置与仪器

3.3.1 实验装置

3.3.2 实验主要仪器

3.4 结果与分析

3.4.1 酶投加量对SSMFC产电特性的影响

3.4.2 温度对SSMFC产电特性的影响

3.5 讨论

3.5.1 最佳酶投加量

3.5.2 最适温度

3.6 小结

第4章 外加酶SSMFC的基质变化分析

4.1 前言

4.2 材料与方法

4.2.1 实验材料

4.2.2 实验设计

4.2.3 测定分析方法

4.3 实验装置与仪器

4.3.1 实验装置

4.3.2 实验主要仪器

4.4 结果与分析

4.4.1 污泥固相基质(TSS、VSS)的变化

4.4.2 污泥固相基质(TCOD)的变化

4.4.3 污泥液相基质(SCOD、蛋白质、溶解性糖)的变化

4.5 讨论

4.6 小结

第5章 反应体系中酶活性变化

5.1 前言

5.2 材料与方法

5.2.1 实验材料

5.2.2 实验设计

5.2.3 测定分析方法

5.3 实验装置与仪器

5.3.1 实验装置

5.3.2 实验主要仪器

5.4 结果与分析

5.5 讨论

5.6 小结

结论

参考文献

致谢

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