新型溢流式微生物燃料电池系统运行效果及其应用研究

摘要

水资源和能源短缺是当今世界面临的两个主要挑战。对于废水处理工艺而言，在去除污染物和获取清洁水的同时，回收废水中有机物所蕴含的能源，具有非常重大的意义。微生物燃料电池(MFC)是一种通过微生物的催化氧化还原反应将废水中有机物的化学能直接转化为电能的新技术，已成为环境和能源领域的研究热点之一。但是目前的MFC大都采用非生物阴极，并且必须要用质子交换膜(PEM)隔开MFC的阳极室和阴极室，但其价格较贵、易被污染。同时MFC可以被看做是生物膜反应器，相比于溶解性有机物的去除，对颗粒性污染物去除效果不好，因此处理效率不高、出水水质差。这些因素都大大限制了MFC的实际推广应用。
　　本论文开发了一种新型溢流式MFC，因其采用生物阴极，并利用反应器流态而不需要PEM，降低了反应器成本。考虑到溢流式MFC对颗粒性污染物去除效果不好，进一步开发出一种新型溢流式MFC-MBR耦合系统，兼备了膜生物反应器(MBR)的高效截留及选择性分离和MFC产能的优点，展现了良好的产电性能和污染物去除效果。最后提出了溢流式MFC-MBR耦合系统利用不锈钢网生物阴极产生的电能原位抑制膜污染的新思路，并探讨了其机制。主要结论如下:
　　1、开发了一种新型溢流式MFC并评价了其运行性能。该系统能够有效阻断氧气从阴极室向阳极室的扩散，保障阳极室的厌氧环境，同时通过废水从阳极室溢流至阴极室而传递质子。试验结果表明:该系统最大功率密度达到了697mW/m3，对COD、氨氮和总氮的去除率分别为94.9％、97.1％和73.8％，同时对阴阳两极室微生物群落结构分析表明电化学活性细菌富集在电极上并被电流激发，参与到系统的产电或者污染物的去除。
　　2、开发了一种新型溢流式MFC-MBR耦合系统并评价了其运行性能。该系统的不锈钢网和其表面形成的生物膜起到了过滤网和生物阴极的双重作用，实现了系统良好的出水水质和能源回收。试验结果表明:该系统最大功率密度达到了629 mW/m3，废水出水浊度1天之内就由20.3 NTU降到了2.53 NTU，对COD、氨氮和总氮的去除率分别为99.2％、99.5％和84.9％，同时对不锈钢网生物阴极微生物群落结果分析表明生物膜上的反硝化细菌可能是电化学活性细菌或者是被电流所激发，富集在不锈钢网表面的生物膜里，并接纳通过Lactococcus电子传输中介体传输过来的电子。
　　3、提出了溢流式MFC-MBR耦合系统膜污染原位抑制的新思路。考察了该系统的膜污染特性和污泥混合液性质的变化，试验结果表明:该系统的膜污染速率大大降低;在产生的电场、电流对微生物的刺激以及生成的H2O2共同作用影响下，其阴极室污泥混合液的Zeta电位降低、污泥颗粒较大粒径分布、胞外聚合物(EPS)与溶解性微生物产物(SMP)含量的减少以及SMPP/SMPC的提高。论文还探讨膜污染原位抑制机制，分析表明不锈钢网生物阴极附近产生的电场可以减少污泥颗粒在其表面的沉积，并通过生成的H2O2可以去除沉积在膜表面的阻塞物，同时，产生的电场、电流对微生物的刺激以及生成的H2O2会改变污泥的性质，延缓了膜污染的发生。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 微生物燃料电池

1．2．1 微生物燃料电池的基本原理

1．2．2 微生物燃料电池的构型

1．2．3 生物阴极MFC

1．2．4 MFC与现有污水处理工艺耦合的研究

1．3 MBR膜污染现状

1．3．1 膜污染机理

1．3．2 影响因素

1．3．3 膜污染的防治方法

1．4 本论文主要内容

第二章 材料与方法

2．1 实验装置

2．1．1 溢流式微生物燃料电池装置

2．1．2 溢流式MFC-MBR耦合系统装置

2．2 实验材料与仪器

2．2．1 实验试剂

2．2．2 电极材料

2．2．3 接种污泥与模拟废水

2．2．4 实验仪器

2．3 水质分析测试方法

2．3．1 化学需氧量(COD)的测定

2．3．2 氨氮(NH4+-N)的测定

2．3．3 总氮(TN)的测定

2．3．4 混合液悬浮固体浓度(MLSS)的测定

2．3．5 浊度的测定

2．3．6 过膜压力(TMP)的测定

2．3．7 H2O2的测定

2．4 产电性能评价系统

2．4．1 电压与电流的采集

2．4．2 极化曲线和功率密度曲线

2．4．3 库伦效率(CE)

2．5 微生物分析方法

2．5．1 微生物形态观察

2．5．2 微生物群落分析

2．5．3 微生物群落多样性

2．6 污泥指标分析方法

2．6．1 胞外聚合物(EPS)与溶解性微生物产物(SMP)的测定

2．6．2 Zeta电势的测定

2．6．3 粒径分布

第三章 溢流式微生物燃料电池运行性能研究

3．1 引言

3．2 实验设计

3．3 产电性能评价

3．3．1 输出电压

3．3．2 输出功率

3．3．3 库伦效率

3．4 废水处理效果评价

3．4．1 COD去除效果

3．4．2 氨氮去除效果

3．4．3 总氮去除效果

3．5 电极微生物特性研究

3．5．1 生物膜的形成

3．5．2 微生物群落结构多样性分析

3．5．3 微生物群落结构变化分析

3．6 本章小结

第四章 溢流式MFC-MBR耦合系统运行性能研究

4．1 引言

4．2 实验设计

4．3 产电性能评价

4．3．1 输出电压

4．3．2 输出功率

4．3．3 库伦效率

4．4 废水处理效果评价

4．4．1 浊度去除效果

4．4．2 COD去除效果

4．4．3 氨氮去除效果

4．4．4 总氮去除效果

4．5 生物阴极微生物特性研究

4．5．1 生物膜的形成

4．5．2 微生物群落结构多样性分析

4．5．3 微生物群落结构变化分析

4．6 本章小结

第五章 溢流式MFC-MBR耦合系统膜污染原位抑制过程及机制

5．1 引言

5．2 膜污染特性的比较

5．3 污泥混合液性质的变化

5．3．1 Zeta电位

5．3．2 粒径分布

5．3．3 胞外聚合物(EPS)

5．3．4 溶解性微生物产物(SMP)

5．4 膜污染原位抑制机制解析

5．4．1 电场与静电排斥力的作用

5．4．2 阴极生成H2O2的作用

5．4．3 污泥混合液性质的改变

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

作者简介