类A/O式无膜微生物燃料电池处理生活污水的研究

【摘要】：全球经济快速发展，水环境污染问题和污泥问题都将日益严重。目前研究的各种污水处理工艺中，污泥的产生量巨大，对环境造成了非常大的危害。微生物燃料电池是一种新兴的有机废物资源化技术，该项技术具有废水处理和电能回收的双重功能，根据能量守恒定律，一定量的电能回收，使微生物用于自身分裂繁殖的能量减少，从而使产生的污泥量减少，该技术与污水处理结合，为有机废物的更好的资源化利用提供了新的思路。 本文中设计两套相同的反应器，一套是类A/O式无膜微生物燃料电池反应器，一套改装成传统的A/O反应器。在相同的运行参数条件下，以城市生活污水为处理对象进行对照试验，结合环境分析手段，分析反应器处理污水的效果，同时再根据电化学原理，对MFC的极化特性，内电阻值，功率密度，库伦效率等进行分析，对污泥中有机物的胞外生物有机质(简称EBOM)进行提取，再通过XAD-8/XAD-4树脂分级，对分级提取的各组分进行红外光谱法，荧光光谱法等特征性分析，同时分析各种组分的的含量。 研究表明，类A/O式无膜MFC以生活污水作为接种源以及培养基质，经35d培养，成功启动，进入稳定运行状态。类A/O式无膜MFC反应器对污水的处理效果较好，COD去除率90%，氨氮去除率80%。阴极的氧催化反应是MFC电池性能主要控制关键，阴极和阳极电位均表现平稳，阴极电位在0.10V左右变化，阳极电位在-0.23V变化，电池稳定电压输出0.43V。同时研究发现该类A/O式无膜MFC的内电阻是358Ω，最大输出功率是0.078W/m~3，库伦效率是1.12%。 类A/O式无膜MFC系统与A/O系统对比，均有较好的处理效果。类A/O式无膜MFC系统的出水COD值32.39mg/L，去除率是89%以上，氨氮则是2mg/L左右，去除率是92%。但随着水力停留时间的减少，A/O和MFC反应器的处理效果均产生了较大变化，COD去除率的影响较小，氨氮的去除效果迅速下降。水力停留时间从24h变化到8h，氨氮去除率从90%下降到30%。同时出水硝态氮浓度也迅速降低，从30mg/L降到5mg/L，而内电阻先增后减，功率密度和库伦效率持续降低。采用间歇曝气方式，控制好曝气模式，可有效的增加反应器对污水中有机物以及氨氮的去除，同时对无膜MFC系统的产电性能的影响较小。四种曝气模式下的开路电压分别是0.428V、0.445V、0.430V和0.399V，内电阻是430Ω、410Ω、378Ω和510Ω，最大输出功率密度分别是0.134W/m~3、0.141W/m~3、0.150W/m~3和0.093W/m~3。库伦效率分别为1.79%、1.84%、1.90%和1.2%。 类A/O式无膜MFC反应器内产生的污泥，污泥量是850mg/L，污泥沉降指数是123mL/g，这两方面均比对照的A/O系统好，同时类A/O式无膜MFC系统污泥EBOM中，荧光性物质除了有溶解性微生物产物和芳香性蛋白质，还在HPO-N和TPI-A中，存在利于MFC微生物传递电子的腐植酸类物质荧光团。 【关键词】：微生物燃料电池 无膜 生活污水 连续流 污泥 产电
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X799.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 能源与环境问题11
• 1.2 微生物燃料电池技术11-18
• 1.2.1 历史发展11-13
• 1.2.2 MFC 的基本原理及特点13-14
• 1.2.3 MFC 的构型与电极14-16
• 1.2.4 MFC 的近期研究16-18
• 1.3 A/O 工艺研究简介18-19
• 1.3.1 A/O 工艺原理18-19
• 1.3.2 工艺研究及改进19
• 1.4 课题来源、目的和意义19-20
• 1.5 主要研究内容20-21
• 第2章 实验设计与方法21-27
• 2.1 反应器设计21-22
• 2.1.1 类 A/O 式无膜 MFC 反应器结构21-22
• 2.1.2 电极材料的处理22
• 2.2 实验仪器22
• 2.3 实验方法22-23
• 2.3.1 接种与启动22
• 2.3.2 污泥有机物提取与分级22-23
• 2.4 数据测定23-24
• 2.4.1 污水主要指标23-24
• 2.4.2 电化学测量24
• 2.4.3 污泥有机物特征分析24
• 2.5 计算方法24-27
• 2.5.1 极化曲线与内阻24-25
• 2.5.2 功率密度25
• 2.5.3 库伦效率25-27
• 第3章 类 A/O 式无膜 MFC 运行初期性能27-33
• 3.1 引言27
• 3.2 类 A/O 式无膜 MFC 的启动和稳定运行27-30
• 3.2.1 接种与启动27-29
• 3.2.2 稳定运行29-30
• 3.3 类A/O式无膜 MFC 的电学特性30-32
• 3.3.1 功率密度30-31
• 3.3.2 极化分析31-32
• 3.4 本章小结32-33
• 第4章 类 A/O 式无膜 MFC 污水处理33-51
• 4.1 引言33
• 4.2 类 A/O 式无膜 MFC 系统与 A/O 系统的稳定运行的比较33-36
• 4.2.1 污水 COD 去除效果33-34
• 4.2.2 污水中氮的变化34-36
• 4.3 不同停留时间对系统性能影响36-43
• 4.3.1 不同停留时间下 COD 的去除36-38
• 4.3.2 不同停留时间下氨氮的去除38-40
• 4.3.3 不同停留时间下硝态氮的变化40-41
• 4.3.4 不同停留时间下 MFC 的电化学特性41-43
• 4.4 氮在处理过程的变化43-44
• 4.5 不同曝气模式的影响44-49
• 4.5.1 不同曝气模式下 COD 的去除44-45
• 4.5.2 不同曝气模式下氨氮的去除45-47
• 4.5.3 不同曝气模式下硝态氮的变化47-48
• 4.5.4 不同曝气模式下 MFC 的电化学特性48-49
• 4.6 本章小结49-51
• 第5章 类 A/O 式无膜 MFC 系统剩余污泥分析51-66
• 5.1 引言51
• 5.2 污泥一般性质分析51-53
• 5.2.1 MLSS 、COD 、SV % 的分析52
• 5.2.2 糖类和蛋白质的分析52-53
• 5.3 污泥有机物组分特征53-65
• 5.3.1 总有机碳含量分布53-54
• 5.3.2 UV- 254 含量分布54-56
• 5.3.3 荧光性特征56-61
• 5.3.4 红外光谱特征61-65
• 5.4 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-74
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果74-76
• 致谢76

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