连续流生物阴极微生物燃料电池处理猪场废水研究

摘要

微生物燃料电池(MFC)能直接将底物转化为电能，实现生物能到电能的转化，而且转化率高达80％，在输出电能的同时，还能利用硝酸盐氮接收电子这一特征处理高浓度氮的有机猪场废水。本实验构建了连续流反硝化生物阴极双室型MFC系统，以实验室某一长期运行的双室MFC系统颗粒污泥对阳极进行接种，阴极室中接种了某地猪场废水处理工艺中的SBBR反应器中的硝化反硝化污泥；考察了其产电效果及底物降解特性，研究了负载电阻、C/N和进水流量及搅拌程度对产电及底物降解效率的影响，最后以实际猪场废水为底物，研究其产电及对猪场废水的处理效果。
　　以模拟废水为启动底物，配水溶液中葡糖糖浓度为3g/L、氯化铵浓度为1.6g/L；进水COD约为2000mg/L、NH3-N约为420mg/L、pH为8.0，MFC系统负载电阻为75?；在连续流的培养方式下，阳极室经过200h后即可完成对产电菌的定向富集及启动过程，阴极室经过了195h后，完成了对反硝化菌的定向富集及其启动过程。MFC稳定运行得到输出电压稳定在473mV左右不在有明显变化，阳极室中COD从2000mg/L下降到了395mg/L，去除率为80.2%，NH3-N从422mg/L下降到了201mg/L，去除率为52.4%；阴极电极电势保持稳定在31mV左右不在有明显变化，阴极室中的NO3-N从422mg/L下降到了47.5mg/L，去除率为88.5%。
　　用欧姆极化曲线法测量MFC系统的表观内阻，得到本MFC系统表观内阻为4.6?，开路电压为554.8 mV，最大输出功率密度为0.98W/m2，相关性为0.9576。
　　在MFC稳定运行后，进行了影响因素分析实验，在选取的负载电阻550?、450?、350?、250?、150?、100?、70?、50?中，通过综合考察各项性能参数，表明负载电阻在70?~350?时，MFC有较好的性能。进水流量分别为4ml/h、6ml/h、8mL/h及10mL/h时，结果表明进水流量为6~8 ml/h时，MFC有较好的性能。C/N分别为10:1、6.7:1、5:1、4:1及3.3:1时，结果表明，当C/N为4:1~6.7:1时，MFC系统有较好的性能。对MFC阳极室中进行搅拌和不进行搅拌两种实验，考察了MFC在不同搅拌程度下的产电性能及底物降解性能。结果表明，在搅拌条件下，MFC的性能更好，此时的功率密度为0.385W/m2，库仑效率为4.48%。
　　优化条件使用实际猪场废水进行实验，得出稳定输出电压为530mV；阴极电极电势为45mV，COD去除率为84.6%； NO3-N去除率为78.5%，说明使用猪场废水并优化条件后，MFC仍然具有较好的产电性能和底物去除效率。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的目的和内容

第2章 实验材料和方法

2.1 实验装置与材料

2.2 实验仪器

2.3 菌种

2.4 营养物质

2.5分析方法

第3章 连续流生物阴极MFC启动特性及内阻测定

3.1 MFC的接种与启动

3.2 MFC的稳定运行

3.3 MFC表观内阻的分析及测量

3.4 MFC极化分析

3.5 本章小节

第4章 连续流生物阴极MFC影响因素分析

4.1 外路电阻对MFC性能的影响

4.2 进水流量对输出电压及底物降解的影响

4.3 C/N对MFC产电性能的影响实验

4.4搅拌作用对MFC产电性能及底物降解的影响

4.5本章小结

第5章 MFC处理实际废水的研究

5.1 实际废水启动并稳定运行

5.2优化条件下猪场废水处理研究

5.3 极化曲线和功率密度曲线

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献