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《东北林业大学》 2016年
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基于BES污水处理—产能研究及微生物群落结构解析

孙彩玉  
【摘要】:就目前的污水处理体系而言,大多数属于“耗能除污”,在处理污水的同时需要消耗大量的能源,随着能源的紧缺和环境污染的日益加重,除污与耗能这一矛盾急需解决。生物电化学系统(BES)技术的出现解决了这一矛盾,其技术主要包括微生物燃料电池和生物电解池。该技术结合了生物和电化学反应的优点。生物电化学系统主要包括微生物燃料电池(MFC)技术和微生物电解池(MEC),二者不但可以处理污水,同时可以回收电能和清洁的氢能。可以真正实现“去污-产能”的双重功效。目前,有机废水的污染中,糖蜜废水和中药废水的排放COD含量较大,污染范围广,急需处理。而来自矿山、冶炼、电解、电镀、农药、医药、油漆、颜料等企业排出的重金属离子的污泥和废水作为肥料和灌溉农田,会使土壤受污染,造成农作物减产甚至死亡,进入水体后造成水生生物重金属离子的富集,通过食物链对人体产生严重危害。因此本研究基于生物电化学的理论知识,构建了微生物燃料电池和微生物电解池,阳极以糖蜜废水和中药废水作为阳极底物,阴极以金属离子作为阴极电子受体,即可实现有机废水和金属离子废水的双重处,同时还可回收电能,在MFC稍加改造即为MEC,阳极以有机废水为底物,外加电压便可实现电子和质子的结合从而实现产氢。利用产氢废水二级发酵又可产甲烷,实现废物的重复再利用。本研究首先构建了连续流的以糖蜜废水为阳极、不同浓度的Ag+作为阴极电子受体的MFC, MFC可以稳定的产电且污水处理效果理想,得到的最大功率密度分别为62.82mW.m-2,并实现了对Ag+的最高去除率71.6%,COD最大去除率为81.2%。而后,平行构建了四组分别以Cu2+、 Ni2+、 Cr6+和Cd2+为阴极电子受体的MFC,四组MFC阳极糖蜜废水COD去除率均能达到70%以上,各阴极金属去除率分别为51%、39%、66%和48%,并对阴极还原产物进行了XRD分析,阴极产物一部分被还原为金属单质,另一部成为氧化物。本部分实验成功构建了连续流微生物燃料电池,并与传统间歇式微生物燃料电池进行了对比,实现了有机废水的连续处理工艺,同时回收电能和金属单质。在上述研究基础之上,优选了Ag+和Cr6+作为阴极电子受体,以中药废水为阳极组建了连续流MFC并实现了长期运行,以Ag+为电子受体的MFC最大功率密度为1165.4m W·m-2;最大库伦效率为8.17%,COD去除率为43.47%,色度去除率为65%。以Cr6+作为阴极电子受体的MFC,最大功率密度为556.38 mW.m-2;最大库伦效率为6.06%,COD去除率为49.26%,色度去除率为74%。采用了454高通量测序对MFC阳极微生物群落进行了分析,包括层次聚类分析和门、纲、属和种的结构层次上进行了比较。结果表明在本MFC中产电优势菌有5种。其中Propionibacterium_unclassified和Propionibacteriaceae_unclassified为未知菌。在连续流MFC的基础上加以改造,构建了以阳极中药废水为底物的MEC产氢系统.并对比了污泥非固定化和污泥固定化的产氢交果。结果表明:固定化污泥MEC系统有机负荷在24 g COD L-1.d-1时达到最大产氢率,系统COD去除率稳定在43.6%一50.1%之间,高于非固定化反应器的COD(25.8%-38.9%)去除率。HRT为15h(OLR4.8 g COD L-1·d-1)是产甲烷最佳HRT条件。非固定的活性污泥和固定化活性化污泥在MEC研究和比较说明,固定化污泥系统具有更好的稳定性和更高的生产能力。随后采用两级发酵过程对产氢废水进行产甲烷研究,说明污泥固定化可以显著提高能源回收率。同样采用454高通量测序方法对MEC阳极微生物群落进行分析,结果待MEC稳定产氢后,其主要优势菌种为不动杆菌属的A cinetobacterjohnsoni和黄杆菌属的Flavobacterium_denitrificans,但仍然存在许多未知菌。
【学位授予单位】:东北林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:X703

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