發(fā)布時間：2020-06-05 19:42

【摘要】：伴隨社會的發(fā)展,支柱性產業(yè)能耗高、效率低、對傳統(tǒng)能源的過度依賴,新能源開發(fā)不足,導致了生態(tài)環(huán)境破壞嚴重,制約了我國的可持續(xù)發(fā)展。調整能源結構,實現(xiàn)結構多樣化,發(fā)展清潔能源、加大新能源利用已成為我國能源結構調整的主攻方向。 將厭氧折流板工藝與微生物燃料電池工藝相結合,設計開發(fā)了折流板管狀空氣陰極微生物燃料電池(baffled tubular air-cathode MFC, BTAMFC)(200810063876.5及PCT/CN2009/070168),該反應器既保留了厭氧折流板工藝在廢水處理中的優(yōu)勢,又可進行電能的生產,提高了回收的經濟效益。 構建了BTAMFC的基本構型——單格室BTAMFC(Single-compartment BTAMFC,SBTAMFC)�？疾炝岁枠O結構對SBTAMFC的影響,三維立體陽極結構更有利于體系的產能與廢水的去除。與碳板陽極BTAMFC相比,三維立體陽極BTAMFC總內阻由原來的19.8?降低為12.1?,最大功率密度升高至582.4 mW/m2, COD去除率也從47%增加至88%。對比了連續(xù)流與間歇流運行方式,連續(xù)流運行方式有效地提高了體系的產電性能。間歇流運行BTAMFC的總內阻增加了7.4?,功率密度降低至407.1mW/m2,COD去除率變化不明顯。 考察了分格數對BTAMFC的影響,將單室BTAMFC構建成雙室BTAMFC(dual-compartment BTAMFC, DBTAMFC),不僅增大了輸出電能,還增加了體系對廢水的去除能力。以1g/L葡萄糖為底物,當HRT=6h時,最大功率密度為15.2 W/m3,COD去除率為88%,內阻為13.7?。隨著進水負荷從4.11 kg COD/ (m~3 NAC·d)升高至16.0 kg COD/ (m~3 NAC·d)時,COD去除率從88%降低至70%。在此過程中,電池的內阻變化不大,始終低于15?;當進水負荷為9.60 kg COD/ (m~3 NAC·d)(HRT=2.5h)時,擁有最大輸出功率密度(20.8 W/m3);最大庫倫效率(48%)在6.96 kg COD/ (m~3 NAC·d)(HRT=3.5h)時獲得,因此該體系最佳的水力停留時間范圍為2.5-3.5h。考察了長期運行對電池性能的影響,結果顯示,電池經過10個月的穩(wěn)定運行,仍保持較高的電能輸出及COD去除率,輸出電壓降低了6.4%,最大功率密度降低為原來的48.4%,但仍能輸出7.9W/m3的電能, COD去除率由原來的88%升高至90%。進一步說明DBTAMFC體系的穩(wěn)定性較好,適合于長期運行,電池的壽命至少在10個月以上。 進一步增加分格數,優(yōu)化BTAMFC的產電性能及廢水處理效果。由雙格室DBTAMFC增加成五格室BTAMFC ( Five-compartment BTAMFC ,FBTAMFC),體積增大了4.5倍。進水葡萄糖濃度為5 g/L,與DBTAMFC相比,各個格室在1000?下輸出的電壓并未改變,總輸出功率從DBTAMFC的20.8 W/m~3提高至54.7 W/m3,總COD去除率為86%。各個格室的歐姆內阻相同,但源于電荷轉移內阻及擴散內阻的差異使得總內阻相差不到1?(12-13?),說明了BTAMFC的內阻不會隨著格室數的增加而增大,為BTAMFC分格數進一步增加提供了參考數據。除第一格室內阻外,其余各格室內阻均小于DBTAMFC。各格室按從前至后的順序COD去除率分別為67%、25%、32%、3.5%和11%,揭示了BTAMFC體系一個普遍的規(guī)律,即第一個格室主要偏向于廢水處理,超過50%以上的進水COD在此格室內得以去除。五格室BTAMFC在無回流時,各格室的最大功率密度均降低,總功率密度降低了13.6 W/m3,但總COD去除率由原來的86%升高至94%。雖然損失了部分電能,但節(jié)省了投資與運行費用,提高了廢水處理效果。增加底物濃度(由5g/L增至10g/L)大大降低了第一、三格室的產電性能使得10g/L時總功率密度降低了33.9 W/m3,但COD去除率保持在94%。 將秸稈纖維素燃料乙醇洗液廢水稀釋后直接用于DBTAMFC中產電,最大輸出功率密度為10.7 W/m3, COD去除率達89.1%,并伴有脫色效果。首次將秸稈纖維素燃料乙醇醪液廢水直接應用于FBTAMFC產電,總功率密度為20.8 W/m3,COD去除率為95%。首次將BTAMFC工藝與CSTR(產酸相)、EGS(產甲烷相)及SBR反應器(好氧段)的廢水處理工藝聯(lián)合應用,將秸稈纖維素燃料乙醇醪液廢水SBR工藝段出水作為單室BTAMFC底物產電,電壓由412mV降低至296mV,最大功率密度為2.7W/m3,出水COD可達96mg/L,去除率為72%,出水色度明顯下降,為MFC工藝在廢水領域內應用提供了新的方法。綜上所述,BTAMFC可直接應用于處理高濃度高負荷的有機工業(yè)廢水中,且具有一定的脫色效果及抗負荷及毒物沖擊的特性。
【圖文】：

圖 1-1 厭氧折流板反應器示意圖Figure 1-1 schematic diagram of Anaerobic Baffled ReactorABR 工藝可在低 HRT 下處理高負荷的廢水，并能取得很好的處理效果achaiyasit[20]等人的研究數據顯示，當負荷從 3.5 kg COD/m3·d 提高至 28 OD/m3·d 時，，去除率一直穩(wěn)定于 80%。Stuckey[21]研究顯示 HRT 為 10 h 時

物的變化過程。研究證實大多數葡萄糖先發(fā)酵生成乙酸和氫氣，而后乙酸與氫氣作為底物在微生物催化下產生電能，對于混菌體系來說，葡萄糖直接被氧化的反應并不是體系產電的主要途徑。圖 1-3 為根據研究所得數據繪制的電子流途徑示意圖，圖中數據表明陽極氫氣的氧化反應為產電的主要途徑。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：X703.1

【參考文獻】

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本文編號：2698518