单室无膜微生物燃料电池生物传感器在UASB中研究

摘要

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种全新的生物技术，在许多研究中，MFC可以作为一种生物传感器。为改善升流式厌氧污泥床(UASB)工艺缺少可靠的动态信息和完整的在线监测手段，本研究设计了一套新型的升流式厌氧污泥床微生物燃料电池(UASB-MFC)耦合系统用以在线监测厌氧消化过程。通过对UASB-MFC反应器启动及生物颗粒形成进行了研究、并考察悬浮层COD浓度与MFC电信号之间的关系。结果表明，该耦合反应器23天可快速成功启动，并形成生物颗粒。在进水浓度为1000-3000 mg/L时，电压信号与底物浓度间存在一定的关系，此阶段UASB处理效率较高，运行良好。当进水浓度较低时(＜3000 mg/L)，MFC电压上升平缓，说明此时正处于低负荷运行，微生物增值速度较慢;当进水浓度较高(＞3000 mg/L)时会造成系统出现酸化，pH降低，抑制微生物活性，MFC电压大幅下降，COD去除率下降。
　　通过对MFC外电阻以及水力停留时间进行合理优化，研究发现，当外电阻为100Ω、水力停留时间为8时，该传感器能达到最快的响应时间，响应时间为4h左右。稳定运行180天，MFC的稳定性良好。上述结果表明MFC产生的电信号能够反映UASB内部的动态过程，基于MFC原理的生物传感器将成为一种用来监测和控制厌氧生物过程的重要工具。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 厌氧生物处理技术研究进展

1．2 升流式厌氧污泥床反应器(UASB)

1．2．1 升流式厌氧污泥床反应器

1．2．2 升流式厌氧污泥床反应器的工作原理

1．2．3 升流式厌氧污泥床的特点

1．2．4 UASB的启动及污泥颗粒化

1．2．5 升流式厌氧污泥床组合工艺的研究

1．2．6 影响升流式厌氧污泥床反应器性能的主要因素

1．2．7 升流式厌氧污泥床反应器主要存在的问题

1．2．8 厌氧反应器监测的现状和问题

1．3 微生物燃料电池

1．3．1 微生物燃料电池工作原理

1．3．2 微生物燃料电池分类

1．3．3 微生物燃料电池的研究现状

1．3．4 微生物燃料电池用于废水处理

1．3．5 微生物燃料电池用于生物传感器

1．4 本课题的目的意义和内容

第二章 实验装置、材料及方法

2．1 实验材料

2．1．1 实验装置及工艺流程

2．1．2 实验材料及仪器

2．1．3 实验试剂

2．2 实验材料的预处理及空气阴极制备

2．2．1 阳极碳毡处理

2．2．2 空气阴极制备

2．3 MFC微生物接种与启动

2．4 微生物燃料电池性能评价及计算

2．4．1 电流密度与功率密度

2．4．2 COD去除率

2．4．3 库伦效率

2．4．4 极化曲线

2．5 实验分析项目及方法

第三章 UASB-MFC生物传感过程研究

3．1 UASB-MFC启动过程的特征分析

3．2 间歇进水电信号反馈特征分析

3．3 连续提升进水负荷电信号反馈特征分析

3．4 连续降低负荷进水电信号反馈特征分析

3．5 不同进水浓度MFC电信号反馈特征分析

第四章 UASB-MFC电信号与底物浓度关系

4．1 底物降解动力学模型

4．2 悬浮液浓度与稳定电压之间关系

第五章 UASB-MFC检测条件优化

5．1 水力停留时间优化

5．2 外电阻优化

5．3 生物传感器的稳定性分析

第六章 实验结论与建议

6．1 实验结论

6．2 存在的问题

6．3 未来的展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢