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《中国地质大学(北京)》 2015年
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微生物燃料电池强化去除地下水硝酸盐的研究

刘晔  
【摘要】:硝酸盐在缺氧条件下会转化为亚硝酸盐和亚硝胺类物质,对人体有致癌作用。相比于物理、化学处理工艺,生物法有更高的去除效率和环境友好性,而提高其去除效率是目前本领域的研究重点。本研究利用微生物燃料电池所产生的微电流强化反硝化作用,分别从可行性、机理以及影响因素三个方面展开研究,从而提升硝酸盐的去除效率,并实现生物电能的原位利用,为微生物的微电刺激提供了可靠的理论分析和实验支持。实验结果表明:(1)经过可行性研究,将微生物燃料电池作为电源为BER供电,以5 h为一个测定周期。对电压、硝氮、亚硝氮、氨氮和化学需氧量(COD)分别进行监测。且以不加电的生物反应器作为对照,从而对比微电流对BER的影响。结果表明,微生物燃料电池电压在500~700 m V时,相比不加电反应器,BER硝氮去除加快,且副产物积累减少。因此低电压对微生物反硝化起到了刺激的作用。(2)机理的研究方面,通过最大或然数法(MPN)计数和ATP分析得到了BER加电前后的微生物的数量和活性,并通过电学指标的监测与计算,排除了物理化学作用的影响,结果表明,加电的反应器相对于不加电的来说,数量增长了一个数量级,而活性在一个完整周期内,加电的BER中微生物的活性约为不加电反应器的1.5倍。从而确定是低电压促进了微生物的增殖,并提高了微生物活性,从而提升了反硝化速率。(3)基于已得到的结论,将微生物燃料电池的电压控制在500-700 m V范围内,利用响应曲面法,对BER中的进水硝酸盐氮浓度、COD浓度和水力停留时间(HRT)三个因素进行了优化,最终以硝氮去除率最高,副产物积累最少作为目标,得到了COD=849.66 mg/L,NO3--N=60 mg/L,HRT=3.92 h的最优结果。综上所述,来自于微生物燃料电池的微电流刺激能够提升BER中的微生物活性及数量,从而提高了硝氮的去除效率,减少了副产物的积累。且通过条件优化,得到了最优的运行结果,为工艺的实际应用提供了借鉴。
【关键词】:硝酸盐去除 反硝化作用 电刺激 微生物燃料电池 生物电化学反应器
【学位授予单位】:中国地质大学(北京)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X523;TM911.45
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第一章 绪论10-19
  • 1.1 硝酸盐污染现状10-12
  • 1.1.1 硝酸盐污染的来源10-12
  • 1.1.2 硝酸盐的危害12
  • 1.2 硝酸盐污染的控制技术12-14
  • 1.3 微生物燃料电池研究进展14-16
  • 1.3.1 工作原理及优势14-15
  • 1.3.2 与其他技术结合的研究进展15-16
  • 1.4 研究目的、内容与创新点16-18
  • 1.4.1 研究目的16-17
  • 1.4.2 研究内容17
  • 1.4.3 研究创新点17-18
  • 1.5 技术路线18-19
  • 第二章 微生物燃料电池强化生物反硝化的性能研究19-30
  • 2.1 引言19
  • 2.2 材料与方法19-22
  • 2.2.1 实验装置19-21
  • 2.2.2 实验过程21
  • 2.2.3 分析测试方法21
  • 2.2.4 电化学检测及数据表达21-22
  • 2.3 结果与讨论22-29
  • 2.3.1 微生物燃料电池的驯化及产电性能评价22-25
  • 2.3.2 BER中的硝酸盐去除及其还原产物分析25-29
  • 2.4 小结29-30
  • 第三章 微生物燃料电池强化生物反硝化的机理研究30-36
  • 3.1 引言30
  • 3.2 材料与方法30-31
  • 3.3 结果与讨论31-35
  • 3.3.1 物理化学作用分析31-32
  • 3.3.2 微生物增殖分析32-34
  • 3.3.3 微生物活性分析34-35
  • 3.4 小结35-36
  • 第四章 影响因素及响应曲面优化研究36-51
  • 4.1 引言36-37
  • 4.2 材料与方法37-39
  • 4.2.1 装置37-38
  • 4.2.2 实验过程38-39
  • 4.3 结果与讨论39-50
  • 4.3.1 在微生物燃料电池的电刺激下硝酸盐去除的变化39
  • 4.3.2 硝酸盐负荷、COD浓度和HRT的影响39-42
  • 4.3.3 响应方程分析42-46
  • 4.3.4 3D响应曲面图和等值线图46-49
  • 4.3.5 响应曲面法优化49-50
  • 4.4 小结50-51
  • 第五章 结论与展望51-53
  • 5.1 结论51-52
  • 5.2 展望52-53
  • 参考文献53-62
  • 致谢62-63
  • 个人简历63-64

【参考文献】
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