微生物燃料电池技术处理水中污染物的可行性研究.pdf
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1、合肥工业大学 硕士学位论文 微生物燃料电池技术处理水中污染物的可行性研究 姓名:丁巍巍 申请学位级别:硕士 专业:环境工程 指导教师:汪家权 20090401 微生物燃料电池技术处理水中污染物的可行性研究 摘要 本文介绍了微生物燃料电池( M F C ) 的发展历程及其最新的研究进展。微 生物燃料电池技术结合了生物法处理废水技术核心有氧代谢方式和无氧代谢方 式的优点,既能有效的提高细菌代谢效率,又能处理较高浓度的有毒有害废水 和较难处理的废水,在此基础上还可外供电能。 本文建立了两极室的微生物燃料电池体系,以传统有机物葡萄糖、有毒有 害物质苯酚和双酚A 、以及垃圾渗滤液和工业切削液废水为基质,
2、对其处理效 果与传统厌氧消化( C A D ) 下废水的处理效率进行比较。并以苯酚为特征污染 物,研究了不同温度、底物浓度、盐桥管径和是否接种微生物对微生物燃料电 池处理效率的影响。具体的实验结果概括如下: l 、当以葡萄糖为单一燃料时,M F C 对其的降解率为8 2 ,明显高于传统 厌氧的5 4 ,且M F C 的产电性能较好,连续产电周期超过了4 0 0 h ,最大输出 电压达到7 9 5 m V 。 2 、M F C 对苯酚的降解率比C A D 状态下提高了2 6 ;M F C 在不同温度条 件下对苯酚的降解表现出了与厌氧反应的不同点,在2 5 时效率是最快的,去 除率也达到9 0 ,
3、更值得注意的是在15 时苯酚的最终去除率是最高的。 3 、在不同的有机负荷下,M F C 对苯酚去除效率比传统厌氧提高了3 0 , 随着有机负荷的升高,苯酚的去除率降低了;盐桥孔径越大,对苯酚的去除速 率也就越快;不接种的体系没有了微生物的作用,苯酚的去除率较低,只有2 0 。 4 、在处理双酚A 时,M F C 法的去除率可以达到5 3 ,而C A D 只有不到 2 0 。 5 、对垃圾渗虑液的处理分析比较,从总的降解趋势可以看出M F C 对C O D 的去除率较传统的厌氧提高了3 个百分点,降解率略有提高。 6 、对比M F C 与C A D 降解工业切削液时C O D 的变化,两者的去
4、除率分别 是7 2 7 和6 8 7 ,最后的去除率只高出4 。 本课题研究结果表明,微生物燃料电池在处理有毒有害物质方面较厌氧反 应表现出了较高的去除率,并且能有电能外输;作为新型的污水处理方式,对 特殊污水的处理率有一定的提高;通过与厌氧生化处理技术相结合,微生物燃 料电池能够将厌氧法的优点综合完善,在水处理方面有着巨大的发展潜力。 关键词:微生物燃料电池;传统厌氧消化;有毒有害物质;废水处理效率;输 出电压 T h e l n F e a s i b i l i t yS t u d y i nR e g r a d a t i o no fC o n l a m i n a n t s
5、 W a t e ro fT e c h n o l o g yU s i n gM i c r o b i a lF u e lC e l l A b s t r a c t T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fM i c r o b i a lF u e lC e l l ( M F C ) ,t h el a t e s t r e s e a r c hp r o c e s sa n dt h ef o c u so ft h i sa r e an o w a d a y s F o rt
6、h e s er e a s o n s ,m i c r o b i a l f u e lc e l l ( M F C ) t e c h n i q u ei nt h i sp a p e rc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so ft h ea n a e r o b i c m e t a b o l i s ma n da e r o b i cm e t a b o l i s m I ti sn o to n l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f b a c t e r i a
7、lm e t a b o l i s m ,b u ta l s od e a lw i t hh i g hc o n c e n t r a t i o n so ft o x i ca n dh a r m f u l w a s t e w a t e r ,a n do nt h a tb a s i s ,i tm a ys u p p l yp o w e r W ec r e a t eas y s t e mo fm i c r o b i a lf u e lc e l lw i t ht w oc h a m b e r s ,m a k i n gt h eO r d
8、i n a r y o r g a n i cg l u c o s e ,t o x i ca n dh a r m f u ls u b s t a n c e ss u c ha s :p h e n o la n db i s p h e n o lA ,a s w e l la sl a n d f i l ll e a c h a t ea n di n d u s t r i a l c u t t i n gf l u i dw a s t e w a t e ra s t h em a t r i x , t r e a t m e n te f f i c i e n c
9、yi s c o m p a r i e dw i t hc o n v e n t i o n a l a n a e r o b i cd i g e s t i o n A n d p h e n o la sac h a r a c t e r i z e dp o l l u t a n t ,d i s c u s s e st h ee f f e c t so fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e , s u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o n ,d i a m e t e ro f e x t
10、 e n d e d b r i d g ea n dw h e t h e rm i c r o b i a l i n o c u l a t i o no nt h em i c r o b i a lf u e lc e l lt r e a t m e n te f f i c i e n c y T h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss u m m a r i z e da sf o l l o w s : 1 W h e nu s i n gg l u c o s ea sas i n g l ef u e l ,M F Ci t sd e g
11、 r a d a t i o nr a t eo f8 2 ,w a s s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h e c o n v e n t i o n a la n a e r o b i cd i g e s t i o no f5 4 ,a n dt h e M F Ch a dab e t t e rp e r f o r m a n c ei ne l e c t r i c i t yp r o d u c t ,w i t he l e c t r i c i t yp r o d u c t i o n c y c l
12、em o r et h a n4 0 0 ha n dt h em a x i m u mo u t p u tv o l t a g eu pt o7 9 5 m V 2 U n d e rC l o s e d c i r c u i t ,M F Cs t a t ep h e n o ld e g r a d a t i o nr a t ew a si n c r e a s e db y2 6 c o m p a r e dw i t ht h eo p e ns t a t e ;M F Ca n da n a e r o b i cr e a c t o rh a v ed i
13、 f f e r e n ti nt h e d e g r a d a t i o no fp h e n o la td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s :a t2 5 ,t h ee f f i c i e n c yi s t h e h i g h e s ta n dt h er e m o v a lr a t er e a c h e d9 0 ,n o t a b l et h i n gi st h er e m o v a lr a t ea t15 i st h eh i g h e s t 3 A td i f f e r
14、 e n to r g a n i cl o a d i n g ,p h e n o lr e m o v a le f f i c i e n c yo fM F Ce n h a n c e db y 3 0 t h a nc o n v e n t i o n a la n a e r o b i cd i g e s t i o n ,w i t ht h eo r g a n i cl o a di n c r e a s i n g ,t h e r e m o v a lr a t eo fp h e n o lr e d u c i n g ;t h ed i a m e t
15、 e ro fe x t e n d e db r i d g em o r el a r g e ,t h e r e m o v a lr a t eo fp h e n o lm o r ef a s t ;c o m p a r e dt h ei n o c u l a t i o no fm i c r o o r g a n i s m sw i t h n o n - i n o c u l a t e d ,t h el a t e rs h o w e dt h a tr e m o v a lr a t eo fp h e n o li sl o w e r ,j u s
16、 t2 0 4 W h e nt r e a tb i s p h e n o lA ,t h er e m o v a lr a t eo fM F Cc a nr e a c h5 3 ,b u tc o n v e n t i o n a l a n a e r o b i cd i g e s t i o ni Sl e s st h a n2 0 5 M F Co nC O Dr e m o v a le f f i c i e n c yi n c r e a s e ds l i g h t l y3p e r c e n t a g ep o i n t st h a n c
17、o n v e n t i o n a la n a e r o b i cd i g e s t i o nw h e nt r e a t i n gt h el a n d f i l ll e a c h a t e 6 C o m p a r e dM F Cw i t ht h ec o n v e n t i o n a la n a e r o b i cd i g e s t i o no nt h ed e g r a d a t i o n o fi n d u s t r i a lc u t t i n gf l u i da b o u tt h eC O D v
18、a r i a t i o n ,t h er e m o v a lr a t ea r e7 2 7 a n d 6 8 7 ,t h ef i n a lr e m o v a lr a t ej u s th i g h e r4p e r c e n t T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em i c r o b i a lf u e lc e l li nd e a l i n gw i t ht o x i ca n d h a r m f u ls u b s t a n c e sh a sah i
19、g h e rr e m o v a le f f i c i e n c ya n de l e c t r i c i t yp r o d u c t ;a sa n e ww a yo fs e w a g et r e a t m e n t ,M F Ci m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fd e a l i n gw i t ha s p e c i a lw a s t e w a t e r ;B yi n t e g r a t i o nw i t ht h ea n a e r o b i cm i c r o b i
20、a lt r e a t m e n t , m i c r o b i a lf u e lc e l lc a nb e i n t e g r a t e dp e r f e c t l y t h e a d v a n t a g e s o fa n a e r o b i c m e t a b o l i s m ,S ot h ef u r t h e ra p p l i c a t i o no ft h i st e c h n i q u ew o u l dh a v eap r o m i s i n g f u t u r e K e y w o r d :m
21、 i c r o b i a lf u e lc e l l ( M F C ) ;c o n v e n t i o n a la n a e r o b i cd i g e s t i o n ( C A D ) ; m a t t e ro fv e n o m o u s n e s sa n dn o c u o u s n e s s ;e f f e c to fw a s t e w a t e rt r e a t e d ;o u t p u t v o l t a g e ; 插图清单 图1 - 1 葡萄糖在生物体中代谢的一般途径3 图1 2M F C 产能过程示意图4
22、 图2 1 分体式M F C 9 图3 1M F C 与C A D 降解葡萄糖时C O D 变化1 2 图3 2M F C 与C A D 降解葡萄糖时O R P 变化1 3 图3 3M F C 与C A D 降解葡萄糖时P H 变化1 3 图3 - 4 以葡萄糖为燃料时M F C 的产电特性1 4 图3 5以葡萄糖为燃料时输出功率与电流密度的关系15 图3 - 6 以葡萄糖为燃料时电压与电流强度的关系1 5 图4 1以苯酚为燃料时M F C 的连续产电特性1 7 图4 2 以苯酚为燃料时输出功率与电流密度的关系1 8 图4 3 不同温度时C A D 处理苯酚废水的苯酚去除率19 图4 4 不同
23、温度时C A D 处理苯酚废水的C O D 去除率1 9 图4 5 不同温度时M F C 处理苯酚的去除率2 0 图4 6 不同温度时M F C 处理苯酚废水的C O D 去除率2 0 图4 7M F C 和C A D 在不同温度时对苯酚去除率的比较2 l 图4 8M F C 和C A D 在不同温度时对苯酚废水C O D 去除率的比较2 l 图4 9 温度为1 5 的M F C 的电压曲线图2 2 图4 1 0 温度为2 5 的M F C 的电压曲线图2 2 图4 1 1 温度为3 5 的M F C 的电压曲线图2 2 图4 12 不同底物浓度时C A D 处理苯酚废水的苯酚去除率2 3 图
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- 微生物 燃料电池 技术 处理 水中 污染物 可行性研究
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