基于微生物燃料电池的有机废弃物处理及产电研究——以蓝澡、污泥为例

摘要

随着社会的发展和人口的增加,资源消耗过快、环境污染问题日益严重,能源紧缺与有机废弃物处置已成为当今世界面临的两大挑战。有机废弃物是庞大的污染源的同时也是巨大的生物质能源库。因此,如何快速有效的将有机废弃物转化成可利用资源,实现废弃物的循环利用,对我国社会可持续发展具有重大现实意义。本课题在微生物燃料电池(MFC)的基础上,分别以蓝藻、污泥作为电池底物进行产电研究。
　　 (1)蓝藻MFC成功启动,证明蓝藻可作为一种可再生能源用于MFC产电,获得最大功率密度114mW/m2;同时有机物得以有效去除:总化学需氧量(TCOD)、总氮、NH3-N去除率分别为78.9％,91％,96.8％;藻毒素的去除率分别为MC-RR90.7％、MC-LR91.1％。
　　 (2)为提高污泥MFC的产电及有机物去除率,文章对阳极pH、电池外阻及添加2-溴乙烷磺酸盐(BES)做了研究。结果表明:①在pH=10碱性,条件下获得最大输出功率为73mW/m2,可溶性有机物从污泥中大量释放,溶解性化学需氧量(SCOD)浓度是pH6时的3倍。此外,TCOD去除率及库伦效率(CEs)在pH10条件下也高于pH6、8时。因此,要提高电池产电性能及有机物降解率在pH10条件下可实现。②改变电池外阻发现,外阻对电池产电和有机物降解有显著影响,低电阻有利于电流产生及有机物消耗。当外阻为10Ω时,输出电流最高(4.2mA),且SCOD去除速率最快(53mg/d)。变形梯度凝胶电泳(DGGE)图谱显示,不同外阻导致阳极微生物菌落结构有明显差异;循环伏安法扫描发现外阻对生物膜氧化还原能力有显著影响,低电阻下运行的阳极生物膜氧化还原活性较强。③BES的添加有效抑制甲烷气体的排放,同时促进短链脂肪酸(SCFA)的积累(为原始污泥浓度的1.43倍),CEs提高3.7％。CVs扫描发现,BES的添加可以提高产电菌的氧化还原活性;DGGE图谱显示,微生物菌落结构存在明显差异。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 引言

1.2 国内外处理有机废弃物的技术发展现状与趋势

1.2.1 厌氧发酵技术——生物气

1.2.2 好氧堆肥技术——生物肥

1.2.3 发酵制醇技术——生物化工品

1.2.4 有机废弃物饲料化技术——蛋白饲料

1.2.5 热化学转化技术

1.3 微生物燃料电池

1.3.1 微生物燃料电池的原理及特点

1.3.2 微生物燃料电池的国内外研究进展

1.3.2 微生物燃料电池的分类

1.3.3 影响产电因素

1.3.4 微生物燃料电池的应用

2 研究内容及方法

2.1 研究目的

2.2 研究内容

2.3 技术路线

3 蓝藻MFC的构建与运行

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 MFC的组建与运行

3.2.2 实验材料

3.2.3 测定方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 蓝藻MFC的产电

3.3.2 蓝藻的降解

3.3.3 藻毒素的去除

3.3.4 阳极生物膜的电化学行为

3.4 本章总结

4 pH对MFC产电及污泥有机物降解的影响

4.1 前言

4.2 材料与方法

4.2.1 实验材料

4.2.2 实验方法

4.2.3 调节污泥pn

4.2.4 ITAC-MFC的安装与运行

4.3 结果与讨论

4.3.1 ITAC-MFC的组建

4.3.2 pH对污泥SCOD的影响

4.3.3 不同pH条件下的产电情况

4.3.5 不同pH条件下有机物的去除

4.3.4 阳极生物膜的电化学行为

4.4 本章总结

5 外阻对污泥MFC产电及有机物去除效果的影响

5.1 前言

5.2 实验材料与方法

5.2.1 电池的组建与运行

5.2.2 实验材料

5.2.2 实验方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 外阻对电池产电性能的影响

5.3.2 外阻对有机物降解影响

5.3.3 外阻对微生物群落的影响

5.3.4 阳极生物膜的电化学行为

5.4 本章总结

6 BES的添加对污泥MFC产电性能的影响

6.1 前言

6.2 实验材料与方法

6.2.1 电池的组建与运行

6.2.2 实验材料

6.2.3 实验方法

6.3 结果与讨论

6.3.1 BES最佳添加量

6.3.2 电池产电

6.3.3 SCOD浓度的变化

6.3.4 MFC库伦效率

6.3.5 阳极生物膜的CVs扫描

6.3.6 BES对微生物菌落的影响

6.4 本章总结

主要研究成果及创新点

参考文献

已发表和待发表的论文

致谢