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《长安大学》 2015年
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双室微生物燃料电池产电性能及脱氮效果试验研究

许鸿雁  
【摘要】:微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一种可同时净化废水并回收能源物质的新兴废水资源化技术。MFC的基本原理是利用微生物作为催化剂,以废水中的有机物为燃料,将其中的化学能转化为电能。在当前环境污染严重、能源匮乏的双重压力下,兼具去污产电功能的MFC的应用为废水处理开辟了一条崭新而宽阔的道路。本文构建了双室微生物燃料电池,考察了四种不同阴极(曝气阴极1、铁氰化钾阴极、曝气阴极2及缺氧阴极)条件下MFC的产电性能,重点考察了铁氰化钾作阴极电子受体对MFC阴极性能的改善作用,得出以下主要结论:以亚硝酸盐作电子受体时,缺氧阴极得到的开路电压最低,仅为433.5 mV;使用超电势较低的铁氰化钾作电子受体时,MFC的开路电压最高,为744.2 mV,且使用铁氰化钾作电子受体不仅可以使MFC获得较高的产电性能,而且能对MFC阴极产生持久性的改善作用。对好氧阴极MFC中氨氮的迁移转化规律进行了研究。结果显示:MFC中NH4+通过质子交换膜迁移到阴极的速率与电流密度有关。当电流密度较小时,NH4+迁移速率与电流密度呈正相关关系;当电流密度达到某一较大值后,NH4+迁移速率将达到最大,此后,电流密度增加不会引起NH4+迁移速率的增加。另外,可以利用好氧阴极MFC回收模拟垃圾渗滤液中的氨。构建自养反亚硝化MFC,重点考察DO、电子传递、亚硝酸盐进水负荷对MFC脱氮性能及产电性能的影响。同时,试验研究了自养反亚硝化MFC脱氮过程中N2O的产生过程,并在此基础上提出了N2O减量化途径。试验结果表明:低的DO浓度下,MFC输出功率较低,但反亚硝化效果相对较好,且低氧环境下的反亚硝化过程中N2O的产量较低;高的亚硝酸盐浓度会抑制反亚硝化的顺利进行,导致N2O的积累。
【关键词】:微生物燃料电池 产电性能 氨氮迁移 反亚硝化 氧化亚氮
【学位授予单位】:长安大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X703;TM911.45
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-10
  • 第一章 绪论10-24
  • 1.1 能源危机与环境问题10-13
  • 1.2 污水资源化研究现状13-14
  • 1.3 微生物燃料电池概述14-17
  • 1.3.1 MFC的定义及分类14-16
  • 1.3.2 MFC的工作原理16-17
  • 1.4MFC的应用研究现状17-21
  • 1.4.1 MFC处理有机废水研究进展17-18
  • 1.4.2 MFC脱氮研究进展18-19
  • 1.4.3 氮的迁移规律研究进展19-20
  • 1.4.4 MFC的应用研究进展20-21
  • 1.5 MFC存在的问题和发展展望21-22
  • 1.5.1 MFC存在的主要问题21-22
  • 1.5.2 MFC的发展展望22
  • 1.6 课题研究的目的与内容22-24
  • 1.6.1 课题研究的目的与意义22
  • 1.6.2 课题的主要研究内容22-24
  • 第二章 试验材料与方法24-31
  • 2.1 试验装置24-26
  • 2.1.1 MFC基本试验装置24
  • 2.1.2 氨回收MFC试验装置24-25
  • 2.1.3 自养反亚硝化MFC装置25-26
  • 2.2 MFC的接种与启动26-27
  • 2.3 评价MFC性能的参数及计算方法27-30
  • 2.3.1 电池内阻27
  • 2.3.2 开路电压27-28
  • 2.3.3 电流密度与功率密度28-29
  • 2.3.4 库伦效率29
  • 2.3.5 极化曲线及功率密度曲线29-30
  • 2.3.6 污染物去除效率30
  • 2.4 分析测量方法30-31
  • 第三章 不同阴极微生物燃料电池的产电性能31-38
  • 3.1 开路电压33-34
  • 3.2 功率密度及极化曲线34-35
  • 3.3 内阻35-36
  • 3.4 库伦效率36-37
  • 3.5 本章小结37-38
  • 第四章 MFC中氮的迁移规律38-45
  • 4.1 氨氮在MFC中的迁移及转化过程38-39
  • 4.1.1 硝化作用38-39
  • 4.1.2 反硝化作用39
  • 4.1.3 同步硝化反硝化作用39
  • 4.2 氨氮迁移的动力学分析39-42
  • 4.3 垃圾渗滤液中的氨回收42-43
  • 4.4 本章小结43-45
  • 第五章 自养反亚硝化MFC脱氮研究45-56
  • 5.1 自养反亚硝化MFC脱氮机理45-46
  • 5.2 自养反亚硝化微生物燃料电池的构建46
  • 5.3 亚硝酸盐负荷对输出功率及脱氮效率的影响46-48
  • 5.4 MFC脱氮过程中N_2O的产生与控制48-54
  • 5.4.1 N_2O的产生及危害48-49
  • 5.4.2 MFC脱氮过程中影响N_2O产生的影响因素49-54
  • 5.4.3 反亚硝化MFC脱氮过程中N_2O的控制54
  • 5.5 本章小结54-56
  • 结论与建议56-58
  • 结论56-57
  • 建议57-58
  • 参考文献58-67
  • 攻读学位期间取得的研究成果67-68
  • 致谢68

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