微生物电化学通气管的自启动及其污染物去除和监测研究

摘要

微生物燃料电池（MFC）是近些年发展起来的一种兼具产能和去污双重功能的电化学装置，并因其独特的性能，在很多方面都得到了应用。但由于较低的输出功率，较高的原料成本以及较复杂的运行条件等缺点，MFC在实际污水处理中的应用受到了极大的限制。从目前的研究成果看，MFC在功率输出的提高方面进展比较缓慢。相较于功率输出，MFC的协同去污特性在污水处理方面更容易实现，也更有可能在实际中应用；因此，目前MFC的主要发展方向也由去污、产能转向为去污、节能，并在此基础上发展了一种新型的微生物电化学系统，微生物电化学通气管（MES）。MES实际上是一种单电极短路MFC，它的电极可以生长电活性菌（EAM）氧化降解水体中的有机污染物，也可以利用空气中的氧气或溶液中其它的电子受体发生氧化还原反应。MES虽然不能输出电能，但可以利用微生物电化学反应，最大程度地氧化去除有机污染物和还原去除硝酸根等污染物。由于当前文献报道的MES，其EAM的富集生长主要依靠恒电位法预先培养，为了进一步降低MES成本，推进其实际应用，本论文开展MES的自启动及其污染物去除和监测研究。本文以不同结构的电极构建了三种MESs，研究了MESs在不同条件下的自启动及污染物去除和监测性能，主要研究内容如下：　　在论文的第一部分开展以氧气还原反应（ORR）为阴极反应的旋转MES（R-ORR-MES）在旋转条件下的自启动和协调去污应用研究。本部分以氮磷共掺杂石墨刷（GB/NPC）为电极，将电极沿轴线水平放置，部分浸没在溶液中，部分暴露在空气中，GB/NPC在马达的带动下转动，交替与空气和溶液接触，促进空气中的氧气向溶液充分扩散，营造好氧环境。研究显示，在好氧条件下，好氧菌在电极表面的原位生长为产电菌的富集生长提供了局部厌氧环境。GB/NPC表面催化ORR接受EAM释放的电子，为EAM提供电子呼吸，从而促进了EAM的富集生长，实现了R-ORR-MES的自启动。研究发现，该体系具有协同去除污水中COD和NO3--N的功能。当碳/氮比（C/N比）为2.4时，COD和NO3--N去除速率最快。该R-ORR-MES有望与传统好氧污水生物处理技术相结合，实现COD和NO3--N的协同高效去除。　　论文的第二部分开展以硝酸根还原为阴极反应的MES（DN-MES）的自启动和NO3--N传感研究。本部分以未作任何修饰的石墨刷为电极，将其直接浸没在含有醋酸钠和硝酸钠的溶液中，研究DN-MES体系的自启动及NO3--N传感行为。不同底物条件下的循环伏安曲线表明电极表面同时生长了EAM和反硝化菌，EAM催化有机物发生氧化反应产生的质子和电子，直接被硝酸根接收，在反硝化菌的作用下发生还原反应，实现了DN-MES的自启动；当NO3--N浓度在10~60mg L-1范围时，MES响应电位与NO3--N浓度呈线性关系。因此，利用此DN-MES可以作为NO3--N传感器，实现污水中NO3--N的实时监测。　　论文的第三部分开展以氧气还原反应（ORR）为阴极反应蒸腾作用为驱动力的MES（T-ORR-MES）的自启动和去污、传感研究。T-ORR-MES是以具有微通道孔结构的炭材料（MC）为电极，ORR为阴极反应。将MC沿微通道孔轴向放置，部分浸没于溶液中，部分暴露于空气中。研究显示，EAM在浸没溶液中的MC端生长；溶液在毛细作用的驱动下沿MC的微通道自动上升，传递离子；空气中的氧气沿微通道向电极扩散，并溶解在微通道的溶液中发生ORR，接受EAM释放的电子，从而实现MES的自启动。该T-ORR-MES体系不仅可去除污水中的COD，同时还可实现对COD的实时监测。研究结果显示，在22h内，T-ORR-MES的COD的降解速率可达到93%。当底物浓度范围为0.4~1.1mM时，MES响应电位与浓度呈线性关系。T-ORR-MES所用的微通道电极材料，可由直接炭化具有微孔结构的天然植物（如木头等）获得，由于材料来源丰富可持续，组装成电池后其运行条件更为简单，因此，不仅可用于污水处理，还可以用于污染物原位修复。

目录

声明

符号说明

第1章 绪 论

1.1研究背景

1.2 MFC概述

1.3 MES概述

1.4 本文的研究意义及主要内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验药品与仪器

2.2 MES的构建

2.3 MES的运行

2.4 MFC的脱氮机理

2.5 电极的ORR性能测试

2.6 MES电性能表征

第3章 旋转氧气还原反应MES自启动及对污染物的去除

3.1 引言

3.2 GB/NPC电极的制备及氧气还原性能表征

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 反硝化反应MES自启动及对污水中NO3--N的监测

4.1 引言

4.2 DN-MES的自启动

4.3 本章小结

4.4 本章展望

第5章 蒸腾作用驱动的氧气还原反应MES的自启动及对COD的监测

5.1 引言

5.2 木炭电极的制备及相关表征

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

在读期间公开发表论文（著）及科研情况