雙室微生物燃料電池脫氮特性及微生物學(xué)機(jī)理研究.pdf

1、微生物燃料電池（MFC）是在微生物催化作用下同時(shí)去除污染物并產(chǎn)生電能的裝置，其為生物脫氮技術(shù)提供了一條新的思路。本文以雙室型陰極反硝化MFC為研究對(duì)象，考察了三種含氮物（氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮）廢水分別作為陰極底物時(shí)MFC的脫氮產(chǎn)電性能。試驗(yàn)研究不同運(yùn)行參數(shù)（底物濃度、溫度、外電阻等）對(duì)MFC性能的影響，鑒別陰極室內(nèi)反硝化菌的功能特征，探討MFC生物脫氮產(chǎn)電工作機(jī)理。主要結(jié)果如下：
　?。?）研究氨氮廢水作為MFC陰極底物發(fā)生同步

2、硝化反硝化時(shí)，不同運(yùn)行方式對(duì)MFC處理氨氮廢水的影響。①考察了通路與斷路條件對(duì)MFC產(chǎn)電脫氮的影響，結(jié)果表明：斷路時(shí)有利于硝化反應(yīng)的發(fā)生，氨氮去除率最大值為95.17％；而通路更有利于COD和總氮的去除，總氮去除負(fù)荷達(dá)到0.064g/(L·d)。②采取曝氣階段+停曝階段運(yùn)行方式后，總氮去除負(fù)荷升高到0.46g/(L·d)，說(shuō)明此運(yùn)行方式既能有效提高M(jìn)FC的脫氮產(chǎn)電性能又可以減少維持高濃度DO的能量輸入。
　?。?）研究當(dāng)硝態(tài)氮和亞

3、硝態(tài)氮廢水分別作為陰極底物時(shí)，運(yùn)行參數(shù)對(duì)MFC的性能影響。①在一定底物濃度范圍內(nèi)，提高底物濃度可強(qiáng)化MFC脫氮產(chǎn)電能力。對(duì)電流密度與進(jìn)水硝態(tài)氮濃度之間變化趨勢(shì)進(jìn)行數(shù)型模擬。而對(duì)以亞硝態(tài)氮為底物的MFC，采用低流量、高進(jìn)水亞硝態(tài)氮濃度的運(yùn)行方案可降低亞硝酸鹽硝化率、提高脫氮效率。②較低的外電阻有助于提高M(jìn)FC的脫氮產(chǎn)電性能。對(duì)于3號(hào)MFC，在外電阻為25Ω時(shí)，總氮去除負(fù)荷和電流密度均達(dá)到最大值66.86g/(m3·d)和14.25A/m3

4、。③合適的水力停留時(shí)間（HRT）可以縮短MFC陰極室的處理時(shí)間、提高脫氮處理效率。對(duì)于3號(hào)MFC，當(dāng)水力停留時(shí)間為59h，總氮去除率高達(dá)93.23%。④pH對(duì)MFC中反硝化菌的活性和總氮去除有較大影響。偏酸性的環(huán)境下有利于提高M(jìn)FC的運(yùn)行性能。對(duì)于2號(hào)MFC，pH值為6.85時(shí)，總氮去除負(fù)荷達(dá)到最大值54.82g/(m3·d)。⑤升高溫度有助于增強(qiáng)MFC的運(yùn)行性能。對(duì)于以亞硝態(tài)氮為底物的MFC，在溫度為32℃時(shí)，總氮去除負(fù)荷達(dá)到最大值5

5、5.27±0.84g/(m3·d)。但溫度過(guò)高或低均會(huì)抑制反硝化菌群活性。⑥通過(guò)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的MFC陽(yáng)極室采取間歇曝氣的方式，可抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，提高陽(yáng)極的產(chǎn)電性能。
　?。?）研究當(dāng)硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮廢水分別作為陰極底物時(shí)，分析比較陰極室內(nèi)微生物的功能特征，推測(cè)MFC陰極室內(nèi)存在的主要生物電化學(xué)反應(yīng)。①?gòu)姆磻?yīng)器的運(yùn)行性能來(lái)看，以硝酸鹽為底物的MFC1脫氮效果最好。從菌群結(jié)構(gòu)分析來(lái)看，兩個(gè)菌群的相似性系數(shù)為52.2%。MFC1反應(yīng)

6、器的優(yōu)勢(shì)菌為Ignavibacteria綱的菌屬I(mǎi)gnavibacterium，其次為β-變形菌綱（Betaproteobacteria）的菌屬Thiobacillus。以亞硝酸鹽為底物的MFC2反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)菌為異常球菌綱（Deinococci）的菌屬Truepera。兩個(gè)MFC中的產(chǎn)電菌可能主要是Alphaproteobacteria（α-變形菌綱）和Betaproteobacteria（β-變形菌綱）。Thiobacillus(硫桿