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CW-MFC对难降解有机物的去除特性及同步产电研究

李薛晓  
【摘要】:本研究在垂直流人工湿地的基础上构建单室空气阴极微生物燃料电池,形成了一种新型的污水处理装置——人工湿地型微生物燃料电池(CW-MFC)。选取偶氮染料活性艳红X-3B作为目标污染物,并将由其配制而成的人工模拟染料废水作为底物,采用连续进水方式运行CW-MFC。分别从阴极面积、双阳极构造和外接电阻三个方面研究CW-MFC去除难降解有机物及同步产电的性能及影响,主要研究内容及结果如下:设置阴极面积不同的5组CW-MFC为研究对象,研究不同阴极面积对CW-MFC的产电性能、X-3B去除效果和微生物群落的影响。结果表明,在一定范围内增加阴极面积,增加了阴极反应位点,改善了阴极极化现象和阳极层微生物的生长环境,从而提高了 CW-MFC的产电性能和X-3B的去除效果,电流不断增加,内阻不断减小,最大功率密度和X-3B脱色率均增加至最大值。但是当阴极面积进一步增加时,阳极极化现象加剧,阳极层电子供需不平衡,导致最大功率密度和X-3B脱色率逐渐减小,阳极成为阻碍CW-MFC性能提升的限制性因素。阴极面积增加,阴极层全细菌密度不断增加,阳极层全细菌密度不断增加,其中产电菌密度不断增加,产甲烷菌密度逐渐减小。设置单阳极CW-MFC和双阳极CW-MFC为研究对象,分别研究不同进水X-3B浓度和不同HRT条件下CW-MFC的运行情况,并对双阳极CW-MFC中X-3B的降解中间产物和微生物群落进行检测,全面分析双阳极构造对CW-MFC产电、去除X-3B及微生物群落的影响。研究发现,当进水X-3B浓度增加时,CW-MFC产电性能和X-3B去除效果随之下降,且双阳极CW-MFC的产电性能和X-3B去除效果优于单阳极CW-MFC,在应对有机负荷增加时表现出了良好的稳定性。当HRT减小时,CW-MFC产电性能和X-3B去除效果也随之下降,且双阳极CW-MFC的产电性能和X-3B去除效果仍优于单阳极CW-MFC,在应对冲击负荷增强时也表现出了良好的稳定性。X-3B在双阳极CW-MFC的去除过程中,大量共轭体系n-π键在底部基质层和下阳极层被破坏,少量共轭体系n-π键在上阳极层被破坏,并产生含有苯环、三嗪基和萘环等官能团的中间产物,主要为苯胺、酯类和烃类等。在双阳极CW-MFC中,由于共基质的逐层消耗,导致产甲烷菌在上阳极层占优,产电菌在下阳极层占优,且上阳极层全细菌密度小于下阳极层全细菌密度。设置外接电阻分别为200、600和1000 Ω的CW-MFC为研究对象,同时设置开路CW-MFC作为对照组,研究不同外接电阻对CW-MFC的产电性能、X-3B去除效果和微生物群落的影响。研究发现,外接电阻作为电子由阳极向阴极传递的必经之路,阻碍电子的传递过程,当外接电阻增加时,系统电流不断减小,内阻不断增加,库伦效率不断减小。在电极的催化作用下,X-3B在通路CW-MFC的脱色效果明显优于开路CW-MFC,其脱色率随外接电阻的增加而下降。随着外接电阻的增加,阳极层全细菌密度不断减小,其中产电菌密度逐渐减小,产甲烷菌密度不断增加。


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