微生物燃料电池处理甾体药物废水同步产电的实验研究

摘要

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是一种在电化学技术基础上发展起来的，以微生物为催化剂将储存在有机物中的化学能转变为电能的装置，在废水处理与资源化领域具有很大的应用潜力。甾体药物生产废水属于较难处理的高浓度有机废水之一,应用MFC处理实际药物生产废水，可通过MFC中电场的作用强化废水的处理效率，同时获取电能。然而，制药生产废水浓度、废水中硫酸盐含量、电极微生物群落功能是制约MFC处理效率的关键因素，深入分析这些限制因素对MFC效能的影响，对于理解MFC降解复杂化合物的机制、提高MFC产电效能和稳定性具有重要的指导意义。
　　实验构建了单室空气阴极MFC，以实际甾体药物废水为底物，探讨不同浓度甾体药物生产废水对MFC效能的影响，硫酸盐对电子的分流作用，以及阳极微生物群落的结构特征。结果表明，以甾体药物生产废水为底物，MFC的功率密度可达到18.1W/m3(面积密度为403.5 mW/m2)，此时电池内阻为32Ω，COD去除率达到82％，库伦效率（CE）最高为30.1%，总氮（TN）和硫酸盐的最大去除率分别为62.5%、26.5%。不同浓度甾体药物生物废水（原废水、稀释2倍、稀释5倍和稀释10倍）的COD去除率在70%~82%之间波动，将原废水稀释2倍时，COD去除率达到最大值，为82%。
　　甾体药物生产废水中硫酸盐对MFC的产电效率有显著影响。随着进水中硫酸盐浓度提高，MFC的库伦效率明显降低，由31.5%下降至8.5%。可见，在应用MFC处理硫酸盐废水过程中，硫酸盐还原可引起电子的严重分流，导致电池库仑效率的下降。另一方面，硫酸盐能够提高溶液的电导率，对电压提高有所帮助；硫酸盐还原菌不能直接参与电子的产生，但可以协助降解大分子有机物。
　　电镜观察发现MFC阳极表面布满微生物，不同底物条件下形成的典型种群的微生物形态不同，甾体药物生产废水为底物的MFC阳极表面有大量球菌、少量杆菌和弧菌；而以乙酸为底物的阳极表面微生物种群主要由杆菌构成。DGGE图谱显示阳极表面微生物因碳源的不同有显著的改变，以不同浓度的甾体药物生产废水为底物时，MFC阳极微生物群落结构呈现出群落逐渐演替的过程。
　　本实验表明，MFC在处理甾体药物生产废水时，微生物群落结构稳定，有机污染物去除效率高，同时可获取电能。这为制药生产废水处理与资源化提供了新思路，为MFC处理甾体药物生产废水提供了数据支撑。

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第1章.绪论

1.1课题背景

1.2微生物燃料电池（MFC）

1.3本论文的研究内容及意义

第2章.材料与方法

2.1 MFC的启动运行

2.2测试分析方法

2.3 电化学监测

2.4 微生物群落分析

第3章.甾体药物生产废水在MFC中降解及同步产电特征

3.1 MFC产电性能

3.2 MFC对甾体药物生产废水的降解

3.3硫酸盐对MFC效能的影响

3.4微生物群落特征

第4章.结论与展望

4.1结论

4.2展望

参考文献

致谢

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