連續(xù)流微生物脫鹽燃料電池的構建及性能研究.pdf

1、水資源短缺及水污染嚴重已成為制約我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一。傳統(tǒng)的廢水處理技術導致了較高的化石能源需求,海水淡化技術可以增加水資源的供應量,但高能耗的問題同樣制約其應用和推廣,低能耗的海水淡化技術及水中有機物定向轉化和能源化新方法是可持續(xù)水處理技術發(fā)展趨勢。
　　微生物脫鹽電池(Microbialdesalinationcell,MDC)是根據(jù)生物電化學系統(tǒng)(Bioelectrochemicalsystem,BES)技術衍生

2、出來的,利用陽極上的產(chǎn)電微生物氧化有機物污染物產(chǎn)生電能,在陰陽極間形成電場推動脫鹽室中鹽離子去除,不需要任何外加的壓力和電場即可實現(xiàn)同步產(chǎn)電、脫鹽和污染物去除。然而目前MDC系統(tǒng)內存在的pH不平衡問題嚴重抑制了反應器的性能,并且空氣陰極生物電化學系統(tǒng)中溶解氧對反應器性能影響較大,上述問題都將影響MDC系統(tǒng)的未來應用。本論文以MDC為研究手段,開展了新型反應器設計、海水淡化、污染物去除和溶解氧對反應器性能影響等方面研究。
　　開發(fā)了

3、無pH抑制效應的內循環(huán)MDC(recirculationMDC,rMDC)反應器。利用反應器陽極室和陰極室產(chǎn)生的酸堿相互中和以消除反應器內pH不平衡,運行周期內可保持溶液pH近中性的環(huán)境,MDC陽極溶液pH=5.0為反應器性能降低的拐點,陽極溶液pH<5.0時由于產(chǎn)電菌的活性受到抑制反應器性能迅速下降。rMDC的最大功率密度和COD去除率遠高于MDC反應器,在25mMPBS條件下rMDC的NaCl去除率比MDC反應器提高了48％,而50

4、mMPBS時卻比MDC降低了13%,高緩沖鹽濃度增加了底物循環(huán)過程中陰陽極室間的電勢損失,rMDC在低緩沖液條件下的優(yōu)異性能可以降低其在實際應用中因污水電導率較低產(chǎn)生的影響。
　　在rMDC基礎上設計并構建了四個反應器單元串聯(lián)的連續(xù)流微生物脫鹽燃料電池(串聯(lián)MDC)。四個反應器單元的最大功率密度均高于間歇流運行的普通三室MDC,通過增加串聯(lián)MDC單元數(shù)目可以有效提高污染物的處理能力。鹽溶液HRT延長脫鹽效果隨之提高,鹽溶液HRT為

5、1d時NaCl去除率為76±1%,HRT增加到2d時NaCl去除率提高到97±1%。陽極微生物16SrDNA基因文庫結果顯示,兼性厭氧微生物Klebsiellaornithinolytica為各單元中最優(yōu)勢菌群,能夠發(fā)酵木糖產(chǎn)生多種小分子的混合酸,推測其功能為嚴格厭氧的產(chǎn)電微生物提供厭氧環(huán)境,維持產(chǎn)電系統(tǒng)的穩(wěn)定。
　　探索了使用青貯秸稈和啤酒廢水兩種廢棄生物質為底物驅動串聯(lián)MDC實現(xiàn)同步產(chǎn)電脫鹽的可行性。青貯秸稈水洗液作為碳源和同

6、時作為碳源、氮源時MFC反應器的最大功率密度分別為847±3mW·m-2和609±3mW·m-2。分別以青貯秸稈水洗液和啤酒廢水運行串聯(lián)MDC時,青貯秸稈水洗液為底物的反應器NaCl去除率可達到74±2%(鹽溶液HRT=1d)和96±2%(鹽溶液HRT=2d)。不添加任何緩沖液直接進啤酒廢水的反應器COD去除率在75%-83%之間,NaCl去除率為50%-55%。
　　研究了空氣陰極MES系統(tǒng)中溶解氧對反應器性能的影響。開發(fā)了用于