双室微生物燃料电池脱氮特性及微生物学机理研究

摘要

微生物燃料电池（MFC）是在微生物催化作用下同时去除污染物并产生电能的装置，其为生物脱氮技术提供了一条新的思路。本文以双室型阴极反硝化MFC为研究对象，考察了三种含氮物（氨氮、硝态氮和亚硝态氮）废水分别作为阴极底物时MFC的脱氮产电性能。试验研究不同运行参数（底物浓度、温度、外电阻等）对MFC性能的影响，鉴别阴极室内反硝化菌的功能特征，探讨MFC生物脱氮产电工作机理。主要结果如下：
　　（1）研究氨氮废水作为MFC阴极底物发生同步硝化反硝化时，不同运行方式对MFC处理氨氮废水的影响。①考察了通路与断路条件对MFC产电脱氮的影响，结果表明：断路时有利于硝化反应的发生，氨氮去除率最大值为95.17％；而通路更有利于COD和总氮的去除，总氮去除负荷达到0.064g/(L·d)。②采取曝气阶段+停曝阶段运行方式后，总氮去除负荷升高到0.46g/(L·d)，说明此运行方式既能有效提高MFC的脱氮产电性能又可以减少维持高浓度DO的能量输入。
　　（2）研究当硝态氮和亚硝态氮废水分别作为阴极底物时，运行参数对MFC的性能影响。①在一定底物浓度范围内，提高底物浓度可强化MFC脱氮产电能力。对电流密度与进水硝态氮浓度之间变化趋势进行数型模拟。而对以亚硝态氮为底物的MFC，采用低流量、高进水亚硝态氮浓度的运行方案可降低亚硝酸盐硝化率、提高脱氮效率。②较低的外电阻有助于提高MFC的脱氮产电性能。对于3号MFC，在外电阻为25Ω时，总氮去除负荷和电流密度均达到最大值66.86g/(m3·d)和14.25A/m3。③合适的水力停留时间（HRT）可以缩短MFC阴极室的处理时间、提高脱氮处理效率。对于3号MFC，当水力停留时间为59h，总氮去除率高达93.23%。④pH对MFC中反硝化菌的活性和总氮去除有较大影响。偏酸性的环境下有利于提高MFC的运行性能。对于2号MFC，pH值为6.85时，总氮去除负荷达到最大值54.82g/(m3·d)。⑤升高温度有助于增强MFC的运行性能。对于以亚硝态氮为底物的MFC，在温度为32℃时，总氮去除负荷达到最大值55.27±0.84g/(m3·d)。但温度过高或低均会抑制反硝化菌群活性。⑥通过对长时间运行的MFC阳极室采取间歇曝气的方式，可抑制产甲烷菌的生长，提高阳极的产电性能。
　　（3）研究当硝态氮和亚硝态氮废水分别作为阴极底物时，分析比较阴极室内微生物的功能特征，推测MFC阴极室内存在的主要生物电化学反应。①从反应器的运行性能来看，以硝酸盐为底物的MFC1脱氮效果最好。从菌群结构分析来看，两个菌群的相似性系数为52.2%。MFC1反应器的优势菌为Ignavibacteria纲的菌属Ignavibacterium，其次为β-变形菌纲（Betaproteobacteria）的菌属Thiobacillus。以亚硝酸盐为底物的MFC2反应器的优势菌为异常球菌纲（Deinococci）的菌属Truepera。两个MFC中的产电菌可能主要是Alphaproteobacteria（α-变形菌纲）和Betaproteobacteria（β-变形菌纲）。Thiobacillus(硫杆菌属)、Ignavibacterium、Afipia（阿菲波菌属）和Aquamicrobium（厌氧绳菌属）等可能为MFC阴极室内的主要脱氮功能菌。②推测硝态氮为电子受体MFC阴极室内存在的主要生物电化学反应：自养反硝化、异养反硝化、氧气还原和其他的电化学反应。推测亚硝态氮为电子受体的MFC阴极室内存在的主要生物电化学反应：自养反硝化反应、异养反硝化反应、自养硝化反应、氧气还原反应和其他的一些电化学反应。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 MFC的结构与组成

1.3 MFC的基本原理

1.4 MFC在生物脱氮方面的研究进展

1.5 本课题的研究意义与主要内容

第二章 试验材料与方法

2.1 实验装置与运行

2.2 测试与分析方法

2.3 MFC微生物菌群的生物学分析方法

第三章 MFC处理氨氮废水的影响因素研究

3.1 实验设计

3.2 MFC同步硝化与反硝化的启动

3.3 通路和断路对MFC性能的影响

3.4 DO对MFC性能的影响

3.5 小结

第四章 MFC处理硝态氮废水的影响因素研究

4.1 实验设计

4.2 硝态氮浓度对MFC的性能影响

4.3 pH对MFC的性能影响

4.4 外电阻对MFC的性能影响

4.5 水力停留时间对MFC的性能影响

4. 6 MFC阳极的产电性能优化

4.7 菌群分析

4.8 小结

第五章 MFC处理亚硝态氮废水的影响因素研究

5.1 实验设计

5.2 阴极电子受体突变对MFC的性能影响

5.3 不同进水条件对MFC的性能影响及硝化现象分析

5. 4外电阻对MFC的性能影响

5.5 温度对MFC的性能影响

5.6 菌群分析

5.7 小结

第六章 两种阴极底物下MFC的性能及阴极微生物菌群的对比研究

6.1 实验设计

6.2 两种阴极底物条件下MFC的性能比较

6.3 两种阴极底物条件下MFC微生物菌群的多样性分析

6.4 两种阴极底物条件下MFC微生物群落结构分析

6.5 两种阴极底物条件下MFC微生物菌群的同源性分析

6.6 小结

结论

创新点

展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢