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《华南理工大学》 2015年
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基于微生物燃料电池技术的同步除碳、硝化/反硝化研究

黄丽巧  
【摘要】:微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是把微生物当作催化剂,进而将有机物的化学能转化为电能的装置。通过MFC技术处理含氮废水,不仅可以实现污染物的同步去除还可以回收部分电能。近年来大量研究证实MFC可以用来同步脱氮。目前的NH4+-N的硝化与反硝化多是在MFC阴极室进行,其存在曝气条件下反硝化菌难以富集的问题。为解决上述问题,本研究旨在构建一种基于阴离子交换膜的(Anion-exchange membrane,AEM)MFC,即AEM-MFC,使阴极好氧硝化过程产生的NO2ˉ与NO3ˉ能通过阴离子交换膜迁移至厌氧阳极室,并在厌氧阳极室发生还原,使得反硝化不需在好氧阴极室进行。结果表明,当阴极投加200 mg/L NH4+-N时,AEM-MFC能在66小时完全去除总氮,基于阳离子交换膜在同样条件下(阳离子交换膜,CEM)MFC,即CEM-MFC,则需要26天达到相同的脱氮效果。在阴极室投加不同浓度NH4+-N(从50到500 mg/L)条件下,AEM-MFC连续运行7个月,其产电与脱氮效果稳定。相比于传统生物脱氮方法,AEM-MFC不需要在运行过程中再加入酸或碱调节p H,所需COD/N较少,并能够同时回收电能。虽然人工模拟含氮废水在本系统中取得了较好的效果,但考虑到实际废水的复杂性,阴极微生物易受到其它有毒有害物质的干扰。因此在此研究的基础上进一步研究了AEM-MFC同步去除苯酚与脱氮的效果。当NH4+-N浓度约为230 mg/L,苯酚浓度从低浓度到高浓度(0-1400 mg/L)加入到好氧阴极室。结果表明,即使在苯酚浓度到达为600 mg/L时,苯酚对硝化细菌并没有明显的抑制作用。整个实验过程中,实现了同步硝化与反硝化。相比于传统的ABR(Aerobic Bioreactor)反应器及开路电池,MFC具有更高的苯酚耐受力及更高的脱氮效率。同时,对电池上阴阳两室的微生物进行分析结果表明,在阳极上电化学活性菌对电池的产电能力以及厌氧反硝化菌对阳极反硝化起了关键的作用;阴极室中苯酚降解菌、硝化细菌以及反硝化菌分别负责苯酚的降解、好氧硝化与好氧反硝化。这些结果进一步表明,MFC体系对于处理含有苯酚与氨氮的废水具有同步去除苯酚与脱氮的效果。在以上实验的基础上,本文又进一步研究了实际焦化废水在AEM-MFC体系条件下脱氮除碳的效果。初步结果表明,焦化原水稀释2倍后,AEM-MFC能够在120 h内去除99.0%的氨氮,88.6%的COD,而且NO3-浓度小于10 mg/L,表明体系能够实现实际焦化废水的同步硝化反硝化。同时,体系p H维持稳定,运行过程中不需要加入酸或者 碱,节约药剂成本。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X703;TM911.45

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