微生物電化學技術(Microbial electrochemical technology,MET)作為新興的污水處理技術,集有機污染物高效降解、低能耗、能量回收、剩余污泥產(chǎn)量低等諸多優(yōu)點于一體,近年來受到研究學者的廣泛關注。然而,典型的微生物電化學系統(tǒng)(Microbial electrochemical system,MES)中以離子交換膜等膜材料作為分隔極室邊界的介質(zhì),其高昂的成本造價限制了該技術的推廣與普及應用。同時離子交換膜的使用阻斷了MES極室間水力學上的連續(xù)性,在實際應用中,若要保證其水力學連續(xù)性就必須設置繞流,又增加了其構型上的復雜性。另外還存在以實際污水為底物運行的MES中物質(zhì)去除、能量流向以及污泥產(chǎn)率等規(guī)律目前尚不明確,MES的構型還需要進一步優(yōu)化以提高污染物去除與能量輸出性能等問題。為了解決上述問題,將MES進一步地推向?qū)嶋H應用,開發(fā)出具有小規(guī)模污水處理潛力的MES設備,本文從以下幾個方面進行研究:本文設計并構建了基于動態(tài)微生物隔膜(Dynamic biofilm separator,DBS)模型的生物陰極MES(DBS-MES),以下簡稱為“動態(tài)膜MES”。對比了該系統(tǒng)和典型的離子交換膜系統(tǒng)的輸出特性,結果表明動態(tài)膜MES獲得了5.99±0.11A/m3的輸出電流密度,與離子交換膜系統(tǒng)相比提高43%。進一步地監(jiān)測動態(tài)膜MES啟動及運行期間的各極室相應參數(shù),結果表明動態(tài)膜的存在可以有效的限制COD與DO的直接擴散,同時由于該多孔材料的應用,陽極溶液不需要通過繞流而可以直接進入陰極室,保證了系統(tǒng)內(nèi)部水力的連續(xù)性,對于實際應用動態(tài)膜的引入不僅解決了典型MES中離子交換膜高昂的成本造價問題而且解決了系統(tǒng)內(nèi)的傳質(zhì)與擴散問題。MES中涉及微生物好氧代謝、厭氧代謝、生物電化學等多種過程,掌握該耦合過程的物質(zhì)和能量平衡特性對于優(yōu)化系統(tǒng)和指導應用具有重要的意義。本文中分別考察了最大輸出功率點(Maximum power density,Pmax)、最大輸出電流點(Maximum current density,Imax)以及開路狀態(tài)(Open circuit,OC)下各MES的物質(zhì)去除與能量耗散特征,結果表明產(chǎn)電運行狀態(tài)可有效提高污染物去除效率,使MES出水COD穩(wěn)定在50 mg/L(一級A標準)以下,Pmax和Imax狀態(tài)對于污染物去除的差異不明顯,但Imax狀態(tài)具有高達90±2%的能量去除效率。同時本文闡明了MES表觀污泥產(chǎn)率較低的可能內(nèi)在機理,即電流的存在促進了微生物的分解代謝,而表觀污泥產(chǎn)率較低是MET區(qū)別于常規(guī)水處理技術的優(yōu)勢之一。為了進一步提高動態(tài)膜MES的污染物去除與能量輸出性能、優(yōu)化構型,本文對MES的電極堆棧模式進行了討論,結果表明電極比例為1:2的MES具有更高的輸出性能,進一步地,陰陽極比例為2:1的不對稱堆棧MES輸出功率密度更高,達到了721±25 m W/m3,各MES均表現(xiàn)出了相似的污染物去除能力。同時本文就動態(tài)膜基體材料的選擇提出來相應的評價方法,通過測定特定分隔材料的COD、DO傳質(zhì)系數(shù)以及電荷轉移阻值,結合輸出功率密度曲線,確定當COD、DO傳質(zhì)系數(shù)以及電荷轉移阻值在1.78×10-3cm/s、0.85×10-3 cm/s、6.784Ω時,該多孔材料可滿足動態(tài)膜基體材料的要求。同時總結出影響MES長期運行穩(wěn)定性關鍵問題,提出并驗證了相應的運行策略,即“循環(huán)饑餓厭氧”是保持MES污染物去除與輸出性能穩(wěn)定的有效策略之一。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

第 1 章 緒 論景以及研究意義污染現(xiàn)狀或缺的自然資源，是人類、動植物及微生物進行生命活斷發(fā)展，人類對于水的需求愈加強烈，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化水資源，這些因素直接或間接地導致了各類水環(huán)境的持狀況公報[1]顯示，全國地表水 1940 個考斷面中Ⅰ類結果 2.4%，Ⅲ類以上水質(zhì)共占 51.6%，這意味著污染較為8.4%。其中，Ⅴ類、劣Ⅴ類水質(zhì)的比例占到了 15.5%，大之中。例如，在重度污染的海河流域，劣Ⅴ類水質(zhì)占該 41.0%，污染物如 COD、BOD 以及氨氮等不斷排入水水體功能。

圖 1-2 微生物電化學系統(tǒng)原理與陰極室內(nèi)還原半反應形成了完整耗與能量的輸出。統(tǒng)的研究現(xiàn)狀劑的種類，我們可以將微生物電化中，化學陰極以王鑫等人[9]開發(fā)的還原催化劑。在生物陰極 MES 中，進一步地，根據(jù)生物陰極中電子受體系統(tǒng)。厭氧生物陰極中，如 Holme受體的 MES。除此之外，硫酸鹽、厭氧系統(tǒng)的電子受體物質(zhì)。好氧型生一層MnO2，利用MnO2的電化學還陰極過程；Clauwaert 等人[12]在筒催化還原過程；Ter Heijine 等2+3+

系統(tǒng)的運行的穩(wěn)定性與輸出性能。在上述研究的基礎上總結相應的污染物去除與能量消耗規(guī)律，提出實際可行的系統(tǒng)構型以及運行策略。本研究的技術路線如圖 1-3 所示，其中，基礎工作部分見本文第 3 章，不同運行狀態(tài)動態(tài)膜 MES 特性評價與優(yōu)化見本文第 4 章，構型優(yōu)化以及運行調(diào)控策略見本文第 5 章。
【參考文獻】

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本文編號：2880946