厌氧流化床微生物燃料电池处理煤化工废水

摘要

能源节约和废水处理已经成为许多工厂面临的共同难题。焦化废水作为一种典型的、难降解的煤化工废水，其主要成分包括氰化物、氨氮、酚类、多环芳烃及杂环化合物等物质。据最新的机构调查显示，国内多数煤化工企业对焦化废水的处理效果不理想，生化出水COD和优先控制污染物的浓度往往难以满足国内工业废水的排放标准。微生物燃料电池作为一种新型的生物能源装置，能够在处理污水的同时产生电能。本课题研究将厌氧流化床（AFB）工艺同微生物燃料电池技术（MFC）相结合，对AFB-MFC处理焦化废水的产电性能及污水处理效果进行了研究。
　　本文采用共沉淀法制备了修饰材料纳米Fe3O4，并对原石墨棒阳极进行了修饰改性。经交流阻抗和循环伏安测试表明Fe3O4修饰石墨棒阳极增强了电极表面传递电荷的能力，提高了阳极的动力学活性。Fe3O4修饰阳极后MFC的产电性能有了明显的提高，其最大输出电压和功率密度分别为243 mV和9.81 mW/m2，分别比未修饰前的提高了23.4％和114%。
　　在优化了电极材料的基础上，以焦化废水为基质，考察了进水浓度及直接驯化、梯度驯化和富集培养三种微生物驯化方式对AFB-MFC产电性能及焦化废水处理效果的影响。研究结果表明，污泥经梯度驯化后AFB-MFC的性能最佳，AFB-MFC获得的最大功率密度和COD去除率分别为10.95 mW/m2和86.28%。以不同进水浓度（952、1528、2238、3419 mg/L）的焦化废水作为底物发电时，AFB-MFC获得的最大输出电压和功率密度随进水浓度的增加呈先增大后减小的趋势，当进水COD浓度为2238 mg/L时，MFC获得最大输出电压和功率密度分别为284.5mV和14.69 mW/m2。
　　另外，本实验结合液液萃取和GC/MS技术分析了焦化废水处理过程中有机物组成及降解特性。研究结果显示AFB-MFC对焦化废水有较好的处理效果，其中酚、苯、醇、杂环化合物与多环芳烃等物质充分降解，去除率分别为99.63%、97.6%、98.3%、95.75%和92.87%。同时采用GC-MS内标法准确分析了其中主要酚类的质量浓度，该分析方法检出限为2.48~5.50μg/L，平均加标回收率在72.6%~115.8%之间，相对标准偏差RSD≤11.28%，能够满足酚类有机物的测试要求。
　　由中间产物甲基苯甲酸初步推断出在厌氧流化床微生物燃料电池中，甲酚首先羧化生成苯甲酸类物质再进一步氧化开环裂解。当苯酚、邻甲酚和2,4-二甲基苯酚的初始浓度分别为274.7、231.8和76.7 mg/L时，AFB-MFC对三种酚类的降解反应符合一级动力学，其速率常数K分别为0.06989、0.07641和0.08783 h-1。

目录

1 文献综述

1.1 煤化工废水的来源及处理现状

1.2 煤化工废水中主要污染物的生物降解机理

1.3煤化工废水分析方法的研究进展

1.4 微生物燃料电池简介

1.5 厌氧流化床微生物燃料电池的概述

1.6 本文的研究意义及内容

2 实验材料和测量方法

2.1主要仪器及药品

2.2 单室空气阴极AFB-MFC体系的构建

2.3 材料分析和测试分析计算

2.4 GC-MS内标法分析废水中有机物成分

2.5 小结

3 纳米Fe3O4修饰阳极对MFC性能的影响

3.1 概述

3.2 Fe3O4修饰阳极的制备

3.3纳米Fe3O4的表征分析

3.4 Fe3O4修饰阳极MFC产电性能分析

3.5 Fe3O4修饰阳极电化学性能分析

3.6 本章小结

4 AFB-MFC处理焦化废水产电优化研究

4.1 概述

4.2 实验部分

4.3 驯化方式对AFB-MFC性能的影响

4.4 底物浓度对AFB-MFC性能的影响

4.5 本章小结

5 AFB-MFC处理焦化废水过程中有机物的辨别

5.1 概述

5.2 有机污染物的成分辨识及降解情况

5.3 酚类化合物的定量分析

5.4 酚类有机物的动力学分析

5.5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

攻读学位论文期间发表的学术论文目录

声明