MFC耦合A~2/O工艺产电及污水处理性能研究

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)是利用污水中的有机物产生电能的新型生物处理技术。为了使该技术能成功的应用于实际的污水处理中,达到在处理生活污水的同时产生电能的目的,本文设计了一种MFC耦合A2/O工艺的反应器,探索该耦合系统的启动情况和工艺参数的优化,并且考察其对实际生活污水的处理效果和产电能力。经过37天的驯化培养,耦合系统成功启动。稳定运行时达到的最大平均输出电压为574mV,电池内阻为381Ω,获得的最大功率密度为0.0396 W·m-3。对污水的处理效果显著,对COD的去除率达到92.9%,对氨氮去除率达到72.1%,NO2-N和NO3-N的积累量分别为4.41mg·L-1和16.41mg·L-。为了提高系统的产电性能和污水处理效率,考察不同的C/N对系统的产电电压和污水处理效果的影响,C/N为4.2时可以取得最高的输出电压550mV,对COD去除率也最高,为96.1%-97.1%,但是对氨氮的去除率几乎没有影响。C/N为6时出水N02-N和N03-N的含量最小,分别为9.35mg·L-1和2.31mg·L-1,TN的去除率达到最大的57.9%。结果表明,C/N为4.2时耦合系统能达到最佳性能。HRT的优化实验表明,HRT越长输出电压越小,而COD和NH3-N的去除率越大,到20h以后COD的去除率基本不变,达到最大的98%,氨氮去除率达到90%以上。HRT为20h时出水N03-N的积累量最小为10mg·L-1左右,对TN的去除率最高为72.3%。综合产电电压和污水处理效果,在HRT为18h时耦合系统达到最佳性能。考察了MFC耦合A2/O系统通入实际生活污水后的产电性能和污水处理效果。在第21天达到469mV的最大电压,此时的系统内阻为337Ω,获得的最大功率密度为0.0310 W·m-3。耦合系统对实际污水的COD去除率最大为88.6%,对TN的去除率最大为78.5%,说明耦合系统对实际污水的处理效果显著,同时产电性能比较可观。对耦合系统的电极做扫描电镜和群落结构分析,发现阴极和阳极上的微生物在种类和数量上存在较大差异,阳极富集有多种产电微生物,而阴极包含有丰度较高的反硝化菌。 【关键词】：MFC耦合A~2/O 启动 碳氮比 水力停留时间 实际应用
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703;TM911.45
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-17
• 第一章 绪论17-29
• 1.1 课题的研究背景及研究意义17-19
• 1.1.1 研究背景17-18
• 1.1.2 研究意义18-19
• 1.2 微生物燃料电池的简介19-24
• 1.2.1 微生物燃料电池的原理19
• 1.2.2 微生物燃料电池的特点19-20
• 1.2.3 微生物燃料电池的影响因素20-21
• 1.2.3.1 反应器构型20
• 1.2.3.2 电极材料20-21
• 1.2.3.3 电池内阻21
• 1.2.4 微生物燃料电池的实际应用21-23
• 1.2.4.1 MFC处理有机化合物21-22
• 1.2.4.2 MFC处理生物质22
• 1.2.4.3 MFC处理工业污水22-23
• 1.2.4.4 MFC作为厌氧消化的后处理23
• 1.2.5 微生物燃料电池的耦合工艺23-24
• 1.2.5.1 微生物燃料电池与膜生物反应器耦合23
• 1.2.5.2 微生物燃料电池与厌氧流化床耦合23-24
• 1.2.5.3 类A~2/O和类A/O式微生物燃料电池24
• 1.3 A~2/O工艺介绍24-26
• 1.3.1 A~2/O工艺的原理24-25
• 1.3.2 A~2/O工艺的影响因素25-26
• 1.4 课题的研究目的、研究内容和技术路线26-29
• 1.4.1 课题的研究目的26
• 1.4.2 课题的研究内容26-27
• 1.4.3 课题的技术路线27-29
• 第二章 实验材料与方法29-37
• 2.1 实验装置和材料29-32
• 2.1.1 实验装置的设计29-30
• 2.1.2 实验药品30-31
• 2.1.3 实验仪器31
• 2.1.4 实验用水31-32
• 2.2 实验方法32-36
• 2.2.1 反应器的启动32-33
• 2.2.2 碳氮比对系统的影响33
• 2.2.3 水力停留时间对系统的影响33
• 2.2.4 系统处理实际生活污水的实验33
• 2.2.5 电极镜检分析33-34
• 2.2.5.1 扫描电镜电极样品的制备33-34
• 2.2.5.2 扫描电镜的操作步骤34
• 2.2.6 微生物群落分析34-36
• 2.2.6.1 产电微生物的收集34
• 2.2.6.2 样品微生物DNA的提取34-35
• 2.2.6.3 DNA浓度的测定35
• 2.2.6.4 PCR扩增、提纯及测序35-36
• 2.3 分析项目及方法36-37
• 第三章 MFC耦合A~2/O系统的启动和运行37-45
• 3.1 引言37
• 3.2 MFC耦合A~2/O系统的启动37-40
• 3.3 MFC耦合A~2/O系统的运行40-43
• 3.3.1 MFC耦合A~2/O系统的功率密度40-41
• 3.3.2 MFC耦合A~2/O系统的污水处理效果41-43
• 3.4 本章小结43-45
• 第四章 MFC耦合A~2/O工艺的参数优化45-61
• 4.1 引言45
• 4.2 进水中不同碳氮比对MFC耦合A~2/O系统的影响45-50
• 4.2.1 产电效果的对比45-46
• 4.2.2 对COD去除效果的影响46-47
• 4.2.3 对氨氮去除效果的影响47-48
• 4.2.4 不同C/N下出水中各种形态氮的变化情况48-50
• 4.3 不同的水力停留时间对MFC耦合A~2/O系统的影响50-55
• 4.3.1 产电效果的对比50-51
• 4.3.2 对COD去除效果的影响51-52
• 4.3.3 对氨氮去除效果的影响52-53
• 4.3.4 不同HRT下出水中各种形态氮的变化情况53-55
• 4.4 MFC耦合A~2/O系统处理实际污水的效果55-59
• 4.4.1 耦合系统处理实际污水时的产电效果56-57
• 4.4.2 耦合系统对污水的处理效果57-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第五章 扫描电镜及微生物群落分析61-69
• 5.1 引言61
• 5.2 耦合系统电极的扫描电镜分析61-62
• 5.3 微生物群落研究62-68
• 5.3.1 DNA提取液的纯度和浓度62-63
• 5.3.2 样品多样性指数63
• 5.3.3 样品群落结构63-67
• 5.3.4 产电菌属的分析67-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 结论与展望69-73
• 6.1 结论69-70
• 6.2 展望70-73
• 参考文献73-77
• 致谢77-79
• 研究成果及发表学术论文79-81
• 导师及作者简介81-82
• 学位论文答辩委员会决议书82-83

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