微生物燃料电池去除废水中的氨氮及下流式微生物燃料电池的扩大化研究

摘要

微生物燃料电池是一种使用微生物作为催化剂氧化有机和无机物质并产生电流的装置。微生物产生的电子通过导电材料（包括电阻或者一个负载）从阳极（负端）和流向阴极（正端）。微生物燃料电池产生的是一种可再生的清洁能源，具有能量效率高、操作条件温和不需要外加能量等优点。
　　生物法脱氮是指在微生物作用下，将有机氮和氨氮转化为N2和NxO的过程。其中包括硝化和反硝化两个反应过程。好氧生物脱氮具有工艺简化，设备投资少和碱度消耗少等优点。
　　本文把微生物燃料电池与生物脱氮技术相结合，构建了一种新型的生物阴极微生物燃料电池处理废水中的氨氮。利用微生物燃料电池产生的电能将中间室的氨氮通过阳离子交换膜迁移到阴极室，在阴极室通过同步硝化反硝化进一步将NH4+转化为氮气而去除。另外，本论文还将实验室以前构建的下流式空气阴极微生物燃料电池进行了放大，研究其产电情况。
　　论文的主要内容与结果如下：
　　1、论文综述部分介绍了本课题的选题的背景和意义。介绍了氨氮的来源、危害、去除方法和工艺，并介绍了微生物燃料电池的定义、特点、发展及应用。
　　2、构建了一种新型的生物阴极微生物燃料电池处理废水中的氨氮。利用微生物燃料电池产生的电能将中间室的NH4+通过阳离子交换膜迁移到阴极室，在阴极室通过同步硝化反硝化进一步将 NH4+转化为 N2而进一步地去除。我们将硝化和反硝化作用整合在一个需氧的阴极使得该体系的构型比较简单。实验结果表明，此微生物燃料电池能够产电，并能够当氨氮的起始浓度为100mg/L，将97.0±2%的NH4+迁移到阴极室。而在阴极室通过同步硝化反硝化将迁移过来的氨氮进行进一步的去除，总氮的去除率约为90.2±1%。当阴极表面积为55cm2，电极间距为11cm，DO浓度在4.0~6.0mg/L时，氨氮的去除效率能达到最大98.5%，总氮的去除率达到最大92.0%。
　　3、依据实验室以前构建的下流式无膜空气阴极MFC，构建了一种大型的下流式单室空气阴极MFC，提高MFC的功率，得到了96.57mW/m2的最大功率密度。与传统的上流式进液模式相反，让营养液直接从MFC的顶部经过阴极板表面后流到阳极区，这样营养液在阴极板表面就能充分的捕集空气中的氧气，从而大大增加阴极区的DO浓度，最后经处理过的营养液从MFC的底部流出。实验结果表面，阴极表面积及初始COD浓度对产电都有一定的影响，而营养液初始DO浓度对产电几乎没有影响。而且该装置结构简单，使用了价格便宜的平板石墨裸电极作为电极材料。而且该MFC能够处理实际啤酒废水。

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第一章 绪论

1.1 氨氮与水体污染

1.2 水体中氨氮的去除的传统方法和工艺

1.3 微生物燃料电池

1.4 生物脱氮新技术–MFC脱氮

1.5 本论文的研究目的和方案

参考文献

第二章 微生物燃料电池去除废水中的氨氮

2.1前言

2.2 研究内容

2.3 实验部分

2.4 实验结果与讨论

2.5 结论

参考文献

第三章 下流式微生物燃料电池的扩大化研究

3.1 前言

3.2 研究内容

3.3实验部分

3.4 实验结果与讨论

3.5 结论

参考文献

攻读硕士学位期间已发表的论文

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