以膜曝气生物膜反应器为阴极的微生物燃料电池脱氮研究

摘要

膜曝气生物膜反应器(MABR)是具有同步硝化反硝化特性的新型脱氮工艺，而微生物燃料电池(MFC)在处理污水的同时可以获得清洁的电能，针对MABR脱氮过程中的反硝化进程不易控制且效率不高的问题，本研究提出了一种以导电膜曝气生物膜反应器作为微生物燃料电池的阴极，其是将MABR和MFC结合的新型脱氮工艺，该工艺在将阳极室废水中的有机物质转化为电能的同时，通过外电路将电子送至阴极导电膜纤维，为阴极反硝化过程外供电子，以促进MABR的脱氮能力。本文基于MABR-MFC耦合系统，研究了耦合系统在启动阶段的脱氮除碳效果和产电性能，并比较了启动前后微生物群落变化。为实现优良的污水处理效果和产电性能，详细分析了氮负荷、碳氮比以及外电阻对该系统阴极室的处理效果和产电性能的影响，以确定该耦合系统运行的最佳操作参数，并在此基础上通过MFC的开路与闭路切换，研究阳极产生电子对阴极室处理效果的影响。
　　研究表明，MABR-MFC耦合系统启动期耗时30天，稳定后输出电压为0.58±0.01 V，稳定运行下的内阻为1100±20Ω，最大输出功率密度为0.0018 W/m2，相应的库伦效率为3.64％。MABR-MFC耦合系统稳定运行时，阴极室COD、NH3-N和TN去除率最高分别达到90.6％，80.8％和55.1％，获得了较好的处理效果和产电性能。
　　MABR-MFC耦合系统启动完成后微生物种群丰富，通过对接种污泥以及启动完成后阳极和阴极生物膜的微生物群落结构进行高通量测序，一共检测到30个菌门，主要包括常见的光能自养菌Chorobi和Chloroflexi，以及Proteobacteria，Nitrospirae和Planctomycetes三个涉及脱氮过程的菌门。与接种污泥相比，启动完成后系统内微生物菌种的数量、多样性、以及丰度基本呈上升趋势，该耦合系统启动完成后所包含的具有不同生物学特性的种群更多，系统稳定性更强。
　　MABR-MFC耦合系统最佳运行参数为:进水氮负荷为0.16 g/(L·d)，碳氮比为3∶1，外电阻为1000Ω，此时COD去除率最高为95.2％，NH3-N去除率最高为94.8％，TN去除率最高为83.4％，最大的输出电压为0.71 V，相应的功率密度和库伦效率分别为0.055 W/m2和4.24％，具有最佳的处理效果和产电性能。
　　通过切换闭路和开路，MABR-MFC耦合系统阴极室处理效果表明，异氧菌和硝化细菌在闭路和开路下都有较强活性，处理效果良好，但闭路MABR-MFC耦合系统阴极室脱氮性能更佳，阳极转移的电子对阴极反硝化反应有促进作用，参与NO3-还原反应电子数量较多，相应促进了反硝化反应。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 水体氮素的来源及危害

1．1．1 水体氮素的来源

1．1．2 水体中氮素的危害

1．2 生物脱氮工艺研究进展

1．2．1 传统生物脱氮工艺

1．2．2 短程硝化反硝化脱氮工艺

1．2．3 厌氧氨氧化脱氮工艺

1．2．4 同步硝化反硝化脱氮工艺

1．3 膜曝气生物膜反应器处理技术

1．3．1 膜曝气生物膜反应器原理

1．3．2 膜曝气生物膜反应器特点

1．3．3 膜曝气生物膜反应器技术在脱氮处理中的应用

1．4 微生物燃料电池

1．4．1 微生物燃料电池发展历程

1．4．2 微生物燃料电池原理

1．4．3 微生物燃料电池运行的影响因素

1．4．4 微生物燃料电池的研究现状

1．5 本研究的目的、内容与意义

第二章 实验材料和方法

2．1 实验装置及材料

2．1．1 MABR-MFC耦合系统

2．1．2 实验材料预处理

2．2 实验用水

2．3 实验仪器

2．4 启动方法

2．5 分析方法

2．5．1 水质分析方法

2．5．2 电化学分析方法

第三章 MABR-MFC耦合系统的启动运行研究

3．1 MABR-MFC耦合系统的启动

3．1．1 MABR-MFC耦合系统启动期电压变化

3．1．2 MABR-MFC耦合系统启动阶段阴极室处理效果

3．2 MABR-MFC耦合系统稳定运行阶段电化学性能

3．3 MABR-MFC耦合系统启动前后微生物群落分析

3．3．1 DNA的提取

3．3．2 琼脂糖凝胶电泳

3．3．3 高通量测序分析

3．4 本章小结

第四章 MABR-MFC耦合系统运行影响因素研究

4．1 氮负荷对MABR-MFC耦合系统阴极室运行的影响

4．1．1 氮负荷对阴极室处理效果的影响

4．1．2 氮负荷对产电性能的影响

4．2 碳氮比对MABR-MFC耦合系统阴极室运行的影响

4．2．1 碳氮比对阴极室处理效果的影响

4．2．2 碳氮比对产电性能的影响

4．3 外电阻对MABR-MFC耦合系统阴极室运行的影响

4．3．1 外电阻对阴极室处理效果的影响

4．3．2 外电阻对产电性能的影响

4．4 外电路电子对MABR-MFC耦合系统阴极室运行影响的比较

4．5 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢