微生物燃料電池的脫氮與產(chǎn)電研究.pdf

1、全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題迫切需要發(fā)展可持續(xù)的能源回收和廢物處理技術(shù)。微生物燃料電池(MFC)被認(rèn)為是一種可持續(xù)發(fā)展解決當(dāng)前水污染和能源短缺問題的技術(shù)。它可以利用水中各種有機(jī)雜質(zhì)，在處理廢水的同時(shí)產(chǎn)生電能。而反硝化MFC更是可以在陽極和陰極分別進(jìn)行除碳脫氮的同時(shí)產(chǎn)生電能，是一種新型的水處理技術(shù)。
　　磷酸鹽緩沖液因其調(diào)節(jié)pH的范圍廣且緩沖能力強(qiáng)，還可以提高溶液電導(dǎo)率，而廣泛應(yīng)用于MFC的研究。然而，添加高濃度的PBS造成的

2、成本昂貴，尤其運(yùn)用到實(shí)際的廢水處理更是不切實(shí)際。除此之外，磷本身就是一種污染物質(zhì)，直接將它排放到水體會(huì)造成水體的富營養(yǎng)化。因此，迫切需要尋找一種可以替代PBS的緩沖液。本研究采用硼酸—硼砂為緩沖液，在完成反硝化MFC啟動(dòng)的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)行條件，強(qiáng)化運(yùn)行效果，研究了溫度、外阻、進(jìn)水COD濃度、攪拌流速和緩沖液濃度等因素對其產(chǎn)電和污染物去除的影響。主要研究結(jié)果如下：
　?。?）以硼酸—硼砂為pH緩沖溶液，采用連續(xù)培養(yǎng)的方式，

3、用51天完成了對雙室型反硝化MFC的啟動(dòng)。通過電化學(xué)分析的方法得到最大功率密度和電池內(nèi)阻分別為6.46W/m3NC和63.9Ω。固定外阻為50Ω時(shí)，電壓可以達(dá)到205.1±1.96mV，COD和NO3--N去除負(fù)荷分別為0.854±0.020kg/(m3NC.d)和6.17±1.906mg/(m3NC.d)，而出水NO2--N累積量僅為0.092±0.034mg/L。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，陽極生物膜上附著的微生物多而密集且以桿菌為主，陰極上

4、的微生物則少而稀疏。
　　（2）在15-35℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，反硝化MFC的最大輸出功率密度逐漸上升，內(nèi)阻逐漸降低。15、20、25、30、35℃對應(yīng)的最大功率密度和內(nèi)阻分別為5.61、6.86、7.89、8.23、8.76W/m3NC和82.7、60.1、50.9、49.0、47.9Ω。溫度對有機(jī)物的去除影響不大，COD去除負(fù)荷基本維持在0.89kg/(m3NC.d)左右。但是溫度的變化會(huì)影響脫氮的效果，在25℃和4Ω時(shí)

5、，硝氮去除負(fù)荷達(dá)到最大值7.54±0.204mg/(m3NC.d)。
　?。?）在一定范圍內(nèi)，隨著陽極進(jìn)水COD濃度的增加，反硝化MFC的產(chǎn)電能力逐漸增強(qiáng)。最大功率密度10.01W/m3NC和最小內(nèi)阻38.1Ω均出現(xiàn)在進(jìn)水COD濃度為400mg/L的條件下。且各進(jìn)水COD濃度下的最大功率密度的大小符合Monod方程的形式，兩者的關(guān)系可以理解為“飽和效應(yīng)”。庫侖效率最大值44.3±2.84％出現(xiàn)在進(jìn)水COD濃度和外阻分別為300mg

6、/L和5Ω處。而最大COD去除負(fù)荷1.180±0.017kg/(m3NC.d)和NO-3-N去除負(fù)荷9.57±0.834 mg/(m3NC.d)則均出現(xiàn)在進(jìn)水COD濃度和外阻分別為400mg/L和5Ω處。
　?。?）攪拌與否對反硝化MFC的產(chǎn)電性能影響巨大，隨著攪拌強(qiáng)度的增強(qiáng)，反硝化MFC的產(chǎn)電能力先增大后減小，內(nèi)阻先下降后上升。最大功率密度8.24W/m3NC和最小內(nèi)阻48.0Ω均出現(xiàn)在了攪拌強(qiáng)度為20mL/min處。攪拌強(qiáng)度為

7、10mL/min時(shí)，由于流態(tài)的優(yōu)化而認(rèn)為反應(yīng)器處于完全混流和推流之間，COD去除效果最好，出水COD低至3.59±0.35mg/L。由于溶解氧傳遞受阻，硝氮去除負(fù)荷最大值15.65±0.402mg/(m3 NC.d)則出現(xiàn)在了攪拌強(qiáng)度和外阻分別為0mL/min和633Ω處。
　?。?）隨著緩沖液濃度的增加反硝化MFC產(chǎn)電能力逐漸增強(qiáng)，內(nèi)阻逐漸降低。最大功率密度8.27W/m3NC和最小內(nèi)阻48.0Ω均出現(xiàn)在緩沖液濃度為100mmo