固定化小球藻光合藻微生物燃料电池产电性能及处理氨氮废水研究

摘要

能源危机、水资源短缺和环境污染严重制约着人类的发展。人们开始越来越关注可持续能源环境技术，而微生物燃料电池(MFC)即是其中一种，它可以在实现废水处理的同时产生电能。近来的研究表明将藻类技术与MFC结合，即光合藻微生物燃料电池(PAMFC)，可以在废水处理的同时获得生物质和电能，从而有望为人类面临的能源、水资源和环境这三大问题的解决提供一个新的经济有效的方法。
　　 本文采用固定化小球藻以提高藻类密度、促进反应传质，并初步探索了固定化小球藻PAMFC产电的可行性，考察优化了影响固定化小球藻PAMFC运行的工艺参数，并初步尝试了该反应器对氨氮废水的处理效果，获得了如下实验结果：首先，优化了固定化制备条件：采用5％的海藻酸钠和2％的氯化钙作为固定化的基质浓度、106 cell/mL作为初始接种密度、4 h的交联时间；该最佳条件下，PAMFC对COD的去除效率达到84.7％，同时在电流密度为5.5A/m3时获得最大功率密度1811.90 mW/m3，库仑效率为8.78％。其次，考察了环境因素对固定化小球藻PAMFC产电的影响。主要结论如下：第一，固定化小球藻的投加量以600个/200 mL为宜。阳极COD负荷为1000mg/L。第二，在25-35℃的温度范围内，PAMFC都能良好运行，产电效果相差不大，以30℃时最佳。第三，适宜的光照强度可以在很大程度上提高PAMFC的功率输出，5000 lux时获得最大功率密度2572.82 mW/m3。第三，固定化小球藻PAMFC的性能优于悬浮态PAMFC。优化后固定化小球藻PAMFC所能获得的最大功率密度为2485.35 mW/m3，库仑效率为9.40％，比悬浮态小球藻PAMFC分别高88％和57.7％。第四，固定化小球藻PAMFC在产电的同时可以实现对氨氮的有效去除，效果优于悬浮态。而且废水pH值在6-8之间，氨氮浓度为90mg/L时，可以达到最大的功率密度1565.70 mW/m3，98.8％的氨氮被去除。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 研究背景

1.1.1 我国面临的环境污染和能源短缺问题

1.1.2 生物产电-微生物燃料电池产电工艺

第二节 文献综述

1.2.1 MFC的产电机理

1.2.2 MFC的应用研究

1.2.3 固定化技术的研究现状

1.2.4 固定化微藻废水处理研究现状

1.2.5 文献小结

第三节 课题的研究目的意义和内容

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 实验药品与仪器

2.1.1 PAMFC构建所需实验材料

2.1.2 PAMFC启动运行所需实验材料与药品

2.1.3 实验仪器

2.1.4 具体实验方法

第二节 PAMFC的启动和运行

第三节 监测项目及分析方法

2.3.1 生物量浓度的测定

2.3.2 电池电压与电流

2.3.3 功率及功率密度

2.3.4 极化曲线和功率密度曲线

2.3.5 库仑效率和COD的去除效率

第三章 固定化制备条件对PAMFC产电性能的影响

第一节 引言

第二节 结果与讨论

3.2.1 固定化基质浓度

3.2.2 初始接种密度对藻生长量和产电性能的影响

3.2.3 交联时间对藻生长量和产电性能的影响

第三节 本章小结

第四章 环境因素对PAMFC的影响

第一节 引言

第二节 结果与讨论

4.2.1 固定化小球藻投加量的选择

4.2.2 阳极COD负荷

4.2.3 温度

4.2.4 光照强度

4.2.5 固定化与悬浮态小球藻PAMFC运行对比

第三节 本章小结

第五章 固定化小球藻PAMFC对氨氮废水处理效果研究

第一节 引言

第二节 实验结果与讨论

5.2.1 pH值对氨氮去除效果和产电的影响

5.2.2 氨氮初始浓度对氨氮去除及产电的影响

5.2.3 固定化和悬浮态小球藻PAMFC脱氮及产电的对比研究

第三节 本章小结

第六章 结论与展望

第一节 主要结论

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