光合藻微生物燃料电池产电机理及处理氨氮废水的研究

摘要

光合藻微生物燃料电池(photosynthetic algal microbial fuel cel1，PAMFC)将藻类技术与传统的微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)相结合，实现了处理污水、产生电能和CO2零排放的三重目标，为解决人类面临的能源危机和环境污染问题提供了有效的解决途径。由于小球藻生长繁殖的最佳氮源为硝态氮，而硝酸根可以作为MFC的电子受体，这就为PAMFC的产电机理带来了不确定性。本文通过对控制条件下PAMFC产电性能的研究以及系统中各形态碳元素的变化的研究，阐明了PAMFC的产电机理。与此同时，本文还研究了PAMFC阴极对于氨氮废水的处理效果及其对产电性能的影响，得出以下结论:
　　 (1) PAMFC阴极的小球藻能够利用阳极产生的CO2为碳源产生O2作为阴极电子受体。在硝酸根存在的情况下，硝酸根与氧气共同作为电子受体，小球藻的存在能够促进硝酸根接受电子发生还原反应的过程。PAMFC的最高输出电压为421～449 mV，平均运行周期为167h，库仑效率为8.1～8.7％，COD去除率为76～82％。
　　 (2)氨氮的浓度过高对小球藻的生长具有一定抑制作用。氨氮浓度高于160mg/L对悬浮态小球藻产生抑制作用，浓度高于200mg/L对固定化小球藻产生抑制作用，固定化小球藻对氨氮的耐受程度有所提高，且对氨氮的处理效果更佳。小球藻对氨氮的去除率与氨氮的初始浓度有关，在160mg/L时处理效果较好。
　　 (3)氨氮初始浓度过高或过低均不利于PAMFC电能的输出，160mg/L时PAMFC的产电性能最好。PAMFC可以缩短小球藻处理氨氮废水的时间，3d左右处理效果最佳。氨氮的存在能够提高阴极溶液的pH值，进而促进CO2在阴极液中的溶解，提高小球藻对CO2的利用效率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 研究背景

1．1．1 我国面临的能源环境问题

1．1．2 微生物燃料电池

第二节 文献综述

1．2．1 MFC的产电机理

1．2．2 MFC的电子受体

1．2．3 MFC的应用研究

1．2．4 藻类的废水处理

1．2．5 文献小结

第三节 研究目的意义和研究内容

1．3．1 研究目的和意义

1．3．2 研究内容

第二章 实验材料与方法

第一节 实验用品与仪器

2．1．1 菌种与培养液

2．1．2 氨氮废水的配置

2．1．3 实验仪器

第二节 实验方法

2．2．1 小球藻的培养与固定化

2．2．2 PAMFC的启动与运行

第三节 监测项目及分析方法

2．3．1 生物量的测定

2．3．2 氨氮的测定

2．3．3 总碳、有机碳、无机碳与总氮的测定

2．3．4 电压与电流

2．3．5 功率及功率密度

2．3．6 极化曲线和功率密度曲线

2．3．7 库伦效率和COD去除率

第三章 PAMFC产电机理研究

第一节 引言

第二节 结果与讨论

3．2．1 PAMFC的启动与运行

3．2．2 控制条件下PAMFC的运行对比

3．2．3 PAMFC阴阳极碳元素与氮元素含量的变化

3．2．4 PAMFC产电机理讨论

第三节 本章小结

第四章 PAMFC处理氨氮废水效果研究

第一节 引言

第二节 结果与讨论

4．2．1 氨氮对小球藻生长状况的影响

4．2．2 固定化和悬浮态小球藻处理氨氮废水对比研究

4．2．3 固定化和悬浮态小球藻PAMFC处理氨氮废水对比研究

4．2．4 固定化小球藻PAMFC对氨氮废水的处理研究

第三节 本章小结

第五章 结论与展望

第一节 结论

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果