微生物燃料电池脱氮的研究

【摘要】：随着近年来能源危机与环境污染问题的日趋严重,研发先进的废水处理工艺将废水中的能源进行回收利用已成为污水处理领域重要的研究方向。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)正是这样一种将废水中有机物转化为清洁能源—电能的新型生物处理技术。目前MFC仍处于基础研究阶段,大部分研究工作集中在非生物阴极MFC的阳极产电特性和有机物处理方面。而对于更加环境友好型的生物阴极MFC的研究则相对较少,另外污水处理仅注重有机物的去除而忽略氮磷等水体富营养化元素显然是不够的。 针对目前MFC研究存在的这些问题,本文以双室型反硝化MFC为研究对象,探索并优化了反硝化MFC的启动方案。采用电化学和废水处理理论方法,系统地研究了反硝化MFC的产电性能和污染物去除效果,验证了MFC脱氮的可行性。在此基础上,本文着重研究了反硝化MFC的产电和脱氮效果的影响因素。主要研究结果如下： (1)与先间歇式后连续式培养驯化的方法相比,直接连续式培养并优化实验条件后,MFC的启动培养时间由原来的45天减少为110小时；外阻为50Ω时,MFC电压由429mV上升到449mV,COD和NO-3-N去除负荷分别由1.214kg/(m3NC·d)、0.045kg/(m3NC·d)上升到1.672kg/(m3NC·d)、0.085kg/(m3NC·d)。 (2)阴极存在溶解氧时,氧气优先硝酸盐成为MFC的电子受体,只有当电流密度增加到一定程度,阴极室中有限的溶解氧已经完全还原用于产电后,MFC才会大量利用硝酸盐协同充当电子受体维持电流密度的继续增加。进水COD=200mg/L时,外阻的变化对COD去除负荷及阴极出水NO-2-N浓度几乎没有什么影响,阳极COD去除负荷在任何外阻下都为1.2kg/(m3NC·d)左右,阴极出水NO-2-N浓度全都在0.05mg/L以下；但是减小外阻增大电流可以促进NO-3-N的去除,NO-3-N的去除负荷在外阻5Ω时达最大值0.111kg/(m3NC·d)。 (3)温度从15℃升高到30℃,MFC阳极性能基本不受影响,以氧为电子受体所产生的最大电流密度和功率密度分别逐步减小。温度为15℃时,由于反硝化微生物受低温影响,在阴极溶解氧全部用于产电后,反硝化产电菌不能利用硝酸盐协同充当电子受体维持产电量的增加。温度在20℃到30℃范围内,反硝化微生物活性较高,MFC均有不错的产电性能和脱氮效果,在25℃时效果最佳。 (4)当阴阳极进水pH=6.0、8.0时,MFC产生的极限电流密度和最大功率密度随进水COD的增大而增大,当进水COD=450mg/L时分别达到最大他223.1A/m3NC、62.5W/m3NC。最大COD和NO-3-N去除负荷随进水COD的增大而增大,进水COD=450mg/L时分别达最大值2.653kg/(m3NC·d)、0.545kg/(m3NC·d),但相对COD=400mg/L时增加不多。 (5)当进水COD=300mg/L、阴极进水pH为6.0时,在阳极进水pH=6.0-8.0范围内,pH越大MFC的产电量越大。在阳极进水pH=8.0时,MFC的最大电流密度和最大功率密度分别为161.5A/m3NC、54.0W/m3NC,分别是pH=6.0时的两倍。阳极进水pH=6.0时,COD最大去除负荷仅为1.870kg/(m3NC·d),其它pH下最大COD去除负荷区别不大,约为2.1kg/(m3NC·d)。NO-3-N的去除负荷随阳极进水pH的增大而增大,最大达0.383kg/(m3NC·d)。 (6)当进水COD=300mg/L、阳极极进水pH为8.0时,在阴极进水pH=5.0-8.0范围内,MFC的最大电流密度和最大功率密度在阴极进水pH=6.0时达最大值：199.1A/m3NC、73.6W/m3NC,最大NO-3-N的去除负荷在阴极进水pH=6.5时达最大值0.431kg/(m3NC-d)。MFC出水NO-2-N在阴极进水pH=5.0时较大,最大值达0.661mg/L,而在其它pH下出水NO-2-N含量一般在0.05mg/L以下