聚吡咯覆膜改性電極對氫自養(yǎng)反硝化和產(chǎn)甲烷電極生物膜反應(yīng)器的影響

【摘要】：電極生物膜法作為將生物膜法和電化學(xué)法聯(lián)合而發(fā)展起來的污水處理技術(shù),近年來越來越受到研究者們的關(guān)注。其所具有的優(yōu)勢有：生物膜微生物固定生長且生物量較大；電化學(xué)電極過程擁有高效的氧化還原能力；電極與微生物之間具有較高傳質(zhì)速率。隨著生物電化學(xué)反應(yīng)器的發(fā)展,涉及到生物電化學(xué)反應(yīng)器的電極改性被廣泛研究。有研究報道,改性電極運用到生物電化學(xué)反應(yīng)器中可以提高反應(yīng)器性能。本論文探究利用電化學(xué)聚合方法在碳纖維氈電極上制備聚吡咯(polypyrole, PPy)的聚合效果,并利用傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared, FTIR)及掃描電鏡(SEM)對其進行表征；將改性后的碳纖維氈電極應(yīng)用到電極生物膜反應(yīng)器(Biofilm Electrode Reactor, BER)中,考察電極改性對電極生物膜反應(yīng)器性能的影響并研究聚吡咯覆膜改性電極對生物膜附著量、胞外聚合物成分及生物膜微生物群落的影響。結(jié)果表明,以25 mM AQDS(蒽醌2,6-二磺酸鈉)為摻雜劑的恒電壓電化學(xué)聚合能夠在碳纖維電極表面形成均勻穩(wěn)定的聚吡咯膜,實現(xiàn)聚吡咯在碳纖維氈電極上的覆膜改性。改性后的電極應(yīng)用到電極生物膜反應(yīng)器中,可使自養(yǎng)反硝化反應(yīng)器對N03--N的去除效率由對照反應(yīng)器的67.3%增加到83.9%,處理效果提高了24.7%；可使產(chǎn)甲烷反應(yīng)器COD去除率較其對照反應(yīng)器最高增加約18%,甲烷產(chǎn)量較其增加了約3倍。對兩種反應(yīng)器內(nèi)電極生物膜進行生物量測定和掃描電鏡分析,可以看到應(yīng)用聚吡咯覆膜改性電極的R2反應(yīng)器中改性電極生物膜附著量均明顯多于對照反應(yīng)器R1中未改性電極生物膜的附著量,說明電極改性有利于生物膜的附著。生物膜胞外聚合物蛋白質(zhì)和多糖的測定結(jié)果說明,電極改性有助于提高胞外聚合物的含量和蛋白質(zhì)及多糖的比例,從而提高生物膜的活性及其強度和穩(wěn)定性。氫自養(yǎng)反硝化電極生物膜微生物16S rDNA分析結(jié)果表明聚吡咯覆膜改性電極生物膜的優(yōu)勢菌為Hydrogenophaga sp(噬氫菌屬)和Thauera sp(陶厄氏菌屬),不同于對照電極生物膜菌落組成中的優(yōu)勢菌屬Dechloromonas sp.,并且其生物膜的菌落組成更多樣化。產(chǎn)甲烷電極生物膜微生物古菌16S rDNA分析結(jié)果表明兩反應(yīng)器電極生物膜菌落組成中優(yōu)勢菌屬均為Methanosarcina sp(產(chǎn)甲烷八疊球菌),聚吡咯覆膜改性電極生物膜的優(yōu)勢菌屬其次為Methanomicrobia sp(產(chǎn)甲烷微菌),而對照電極生物膜優(yōu)勢菌屬其次為Methanobacterium sp(產(chǎn)甲烷桿菌),兩反應(yīng)器微生物菌屬組成有明顯差異。這說明電極材料的改性對電極生物膜微生物群落的組成產(chǎn)生了影響。 【關(guān)鍵詞】：聚吡咯 電極改性 電極生物膜 氫自養(yǎng)反硝化 產(chǎn)甲烷
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X703
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-24
• 1.1 氫自養(yǎng)反硝化電極生物膜技術(shù)10-15
• 1.1.1 硝酸鹽氮的污染與治理10-12
• 1.1.2 電極生物膜反硝化工藝原理12-13
• 1.1.3 電極生物膜反硝化的產(chǎn)生與發(fā)展13-15
• 1.2 產(chǎn)甲烷電極生物膜技術(shù)15-18
• 1.2.1 產(chǎn)甲烷機理15-16
• 1.2.2 產(chǎn)甲烷菌概況16-17
• 1.2.3 產(chǎn)甲烷電極生物膜的發(fā)展17-18
• 1.3 電極改性18-22
• 1.3.1 高分子聚合物覆膜改性18-21
• 1.3.2 聚吡咯的制備21-22
• 1.4 研究目的、內(nèi)容及技術(shù)路線22-24
• 1.4.1 研究目的22
• 1.4.2 研究內(nèi)容22-23
• 1.4.3 研究的技術(shù)路線23-24
• 2 實驗材料和方法24-34
• 2.1 實驗材料24-27
• 2.1.1 實驗裝置與方法24-26
• 2.1.2 實驗進水26
• 2.1.3 實驗藥品及試劑26
• 2.1.4 實驗儀器設(shè)備26-27
• 2.1.5 實驗主要試劑盒及引物27
• 2.2 實驗方法27-34
• 2.2.1 實驗主要試劑配制27-28
• 2.2.2 實驗主要參數(shù)分析測定方法28-31
• 2.2.3 生物膜微生物菌群多樣性分析31-33
• 2.2.4 16S rDNA系統(tǒng)發(fā)育樹的建立33-34
• 3 改性電極的制備與表征34-41
• 3.1 改性電極的電化學(xué)制備34-38
• 3.1.1 聚合方法對聚合效果的影響34-37
• 3.1.2 摻雜劑對聚合效果的影響37-38
• 3.2 改性電極的表征38-40
• 3.2.1 改性電極的電化學(xué)表征38-39
• 3.2.2 改性電極紅外光譜分析39
• 3.2.3 改性電極掃描電鏡分析39-40
• 3.3 本章小結(jié)40-41
• 4 電極改性對氫自養(yǎng)反硝化電極生物膜反應(yīng)器的影響41-48
• 4.1 氫自養(yǎng)反硝化電極生物膜反應(yīng)器運行效果分析41-42
• 4.2 氫自養(yǎng)反硝化生物膜附著量分析42-43
• 4.3 氫自養(yǎng)反硝化生物膜EPS蛋白多糖含量分析43-44
• 4.4 氫自養(yǎng)反硝化電極生物膜生物相分析44-47
• 4.5 本章小結(jié)47-48
• 5 電極改性對產(chǎn)甲烷電極生物膜反應(yīng)器的影響48-55
• 5.1 產(chǎn)甲烷電極生物膜反應(yīng)器運行效果分析48-51
• 5.1.1 反應(yīng)器COD去除率分析48-49
• 5.1.2 反應(yīng)器產(chǎn)氣及出水揮發(fā)性脂肪酸(VFA)分析49-51
• 5.2 產(chǎn)甲烷生物膜附著量分析51
• 5.3 產(chǎn)甲烷電極生物膜EPS蛋白和多糖含量分析51-52
• 5.4 產(chǎn)甲烷電極生物膜生物相分析52-54
• 5.5 本章小結(jié)54-55
• 6 結(jié)論與建議55-57
• 6.1 結(jié)論55
• 6.2 建議55-57
• 參考文獻57-63
• 附錄A63-64
• 附錄B64-65
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況65-66
• 致謝66-67

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