【摘要】：微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一種創(chuàng)新可持續(xù)發(fā)展的污水處理技術(shù),用于污染控制和能源生產(chǎn)。為了解決傳統(tǒng)微生物燃料電池pH的自反饋抑制、陰極室好氧反硝化菌難以富集和緩沖體系對(duì)水體造成二次污染等問(wèn)題。本論文通過(guò)在MFC中構(gòu)建自緩沖體系(陰極硝化反應(yīng)和陽(yáng)極反硝化反應(yīng)),探索了陰極硝化耦合陽(yáng)極反硝化MFC的啟動(dòng)過(guò)程和最佳工況。陰極硝化耦合陽(yáng)極反硝化MFC在啟動(dòng)階段,耗時(shí)45 d啟動(dòng)成功,穩(wěn)定電壓為560mV,最大功率密度為6.71 W·m~(-3)。在啟動(dòng)階段,體系總氮去除率隨著時(shí)間的增大而增大,最終趨于穩(wěn)定,總氮去除率接近99%。陽(yáng)極室COD去除率為92.7%。反應(yīng)器啟動(dòng)成功后,陽(yáng)極室石墨顆粒上微生物以桿狀菌為主,其分布密集,形態(tài)上互相緊密連接;陰極上的微生物較為稀疏。陽(yáng)極室的主要菌屬有:希瓦氏菌屬Shewanella、地桿菌屬Geobacter、假單孢菌屬Pseudomonaceae和異養(yǎng)反硝化菌屬Denitratisoma。陰極室的主要菌屬有:硝化螺旋菌屬Nitrospira和硝酸菌屬Nitrobacter。同時(shí),對(duì)影響陰極硝化耦合陽(yáng)極反硝化MFC性能的因素進(jìn)行探索,優(yōu)化其運(yùn)行條件,尋求其最佳工況并得出以下結(jié)論:(1)外阻越小時(shí),有機(jī)物降解速率越快,總氮去除率越高,陽(yáng)極室上生物膜的氧化能力越強(qiáng),氧化陽(yáng)極底物的能力越強(qiáng)。(2)在一定范圍內(nèi),隨著陽(yáng)極室COD濃度的增加,MFC的產(chǎn)電性能越好,最大功率密度越大,但陽(yáng)極室?guī)靷愋试降汀ｊ?yáng)極室進(jìn)水COD對(duì)MFC脫氮除碳效果影響不大。(3)在一定范圍內(nèi),隨著陰極室氨氮(NH_4~+-N)濃度的增加,MFC的產(chǎn)電性能越好,最大功率密度越大,總氮去除率減小。陰極室氨氮(NH_4~+-N)濃度對(duì)MFC除碳效果影響不大。(4)最大體積功率密度隨著水力停留時(shí)間的增大先增大后減小,水力停留時(shí)間對(duì)MFC脫氮除碳效果影響不大。(5)MFC的產(chǎn)電性能隨著攪拌強(qiáng)度的增強(qiáng)先增大后減小,攪拌強(qiáng)度為20 mL·min~(-1)時(shí),最大功率密度是7.01 W·m~(-3) NC;當(dāng)攪拌強(qiáng)度為20 mg·L~(-1),反應(yīng)器處于完全混流和推流之間,體系的脫氮除碳效果最好。陰極硝化耦合陽(yáng)極反硝化MFC的最佳工況:外阻100?,陽(yáng)極進(jìn)水COD濃度為550 mg·L~(-1),陰極室氨氮(NH_4~+-N)濃度為25 mg·L~(-1),水力停留時(shí)間8.20 h(陰陽(yáng)極室進(jìn)水流速均為0.65 mL·min~(-1)),循環(huán)攪拌強(qiáng)度20 mL·min~(-1)。MFC在最佳工況下最大功率密度是7.05 W·m~-33 NC;連續(xù)運(yùn)行30 d時(shí),平均每天總氮去除率為98.32%,平均每天COD去除率為93.05%。在最佳工況下,陽(yáng)極室石墨顆粒上微生物以桿狀菌為主,在形態(tài)上接近生物幼蟲;陰極室石墨顆�；ハ啾F(tuán)連接。陽(yáng)極室的主要菌屬有:地桿菌屬Geobacter;希瓦氏菌屬Shewanella;異養(yǎng)反硝化菌屬Denitratisoma;unclassified_f_Rhodocyclaceae和假單孢菌屬Pseudomonaceae;陰極室的主要菌屬有:硝化螺旋菌屬Nitrospira;硝酸菌屬Nitrobacter。陽(yáng)極室和陰極室的菌屬分別與啟動(dòng)階段時(shí)陽(yáng)極室和陰極室的菌屬相似,只是所占的比例不同。
【學(xué)位授予單位】：廣州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM911.45;X703
【圖文】：

圖 1-1 MFC 結(jié)構(gòu)和原理示意圖Fig. 1-1 Schematic of the structure and working principle of microbial fuel cell 在廢水處理中的運(yùn)用

圖 2-1 陰極硝化耦合陽(yáng)極反硝化 MFC 反應(yīng)器示意圖. 2-1 Schematic diagram of cathode nitrification coupled to anode denitrification of MFC ree-e-R-+進(jìn)水口 進(jìn)水口循環(huán)口循環(huán)口循環(huán)口 循環(huán)口出水口 出水口參比電極 參比電極電極 電極陽(yáng)極質(zhì)子交換膜陰極蠕動(dòng)泵陰極蠕動(dòng)泵蠕動(dòng)泵蠕動(dòng)泵

圖 3-1 陰極硝化耦合陽(yáng)極反硝化 MFC 原理圖Fig. 3-1 Schematic diagram in cathode nitrification coupled to anode denitrification of MFC3.2.2 反應(yīng)器的運(yùn)行陰極硝化耦合陽(yáng)極反硝化 MFC 所處環(huán)境溫度為(26 4) ℃。采用連續(xù)培養(yǎng)的方式通過(guò)蠕動(dòng)泵向反應(yīng)器進(jìn)水，體系水力停留時(shí)間為 8.2 h（陰陽(yáng)極室進(jìn)水流速均為 0.65mLmin-1）。在陰極室進(jìn)水中持續(xù)曝氣，保持陰極室 DO 為(6.5 0.5)mg L-1，進(jìn)水氨氮(NH4+-N)濃度為 25mg L-1。陰極室的出水加入 C6H12O6溶液和微量元素后通過(guò)蠕動(dòng)泵進(jìn)入到陽(yáng)極室，陽(yáng)極室 DO 為(0.3 0.1)mg L-1，ORP 為(-200 0.5)mV，進(jìn)水 COD 為550mg L-1。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)置陰極室和陽(yáng)極室的循環(huán)攪拌流量均為 10mLmin-1。陰極室和陽(yáng)極室之間接入可變電阻箱（調(diào)節(jié)至 500 ），同時(shí)接入 32 通道的電壓采集器用于記錄電壓。3.3 陰極硝化耦合陽(yáng)極反硝化 MFC 的產(chǎn)電性能

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2776597