電化學(xué)輔助微生物厭氧系統(tǒng)產(chǎn)甲烷性能研究

【摘要】：電化學(xué)輔助微生物厭氧系統(tǒng)( Electrochemical Microbial Anaerobic System,EMAS)是在微生物燃料電池(Microbial Fuel cells,MFCs)的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種產(chǎn)能裝置,它在微生物燃料電池的陰極去除氧氣的同時再外電路加一個電源(0.2V),從而克服熱力學(xué)障礙,實現(xiàn)質(zhì)子和電子在陰極生成氣體的過程。 本論文采用碳布陽極,以含10% Pt催化劑的防水處理的碳布為陰極,設(shè)計了單室方型空氣陰極微生物燃料電池。以市政管網(wǎng)中的生活污水為菌源,以1g/L的乙酸鈉為唯一碳源,在1000Ω外電阻下啟動(30℃)微生物燃料電池。待MFC反應(yīng)器啟動完成后,將陰極更換為碳纖維刷進(jìn)行并密封反應(yīng)器,施以一定的外加電壓進(jìn)行產(chǎn)甲烷實驗。本論文考察了EMAS反應(yīng)器的運行參數(shù)及條件(外加電壓、曝氮氣、陽極材料、底物)對產(chǎn)甲烷性能的影響,并將EMAS反應(yīng)器與微生物厭氧系統(tǒng)(Microbial Anaerobic System,MAS)反應(yīng)器從幾個方面進(jìn)行了對比。 外加電壓為-0.7V時,反應(yīng)器的最大電流為3.25mA,甲烷產(chǎn)率可達(dá)260.0mmol/(m~2·d),電子捕獲效率為92.1%。而在-0.6V及-0.5V的外加電壓條件下,電子捕獲效率分別為93.2%及93.0%,但是甲烷產(chǎn)率相對-0.7V條件下低了約55mmol/(m~2·d),最高電流為1.63mA和1.46mA,僅是-0.7V時最大電流的50.2%和44.9%。進(jìn)水不曝氮氣時,甲烷產(chǎn)率為164.8mmoL/(m~2·d),最大電流降為2.91mA,電子捕獲效率為89.60%,電流曲線的下降點比進(jìn)水曝氮氣的情況下提前了20h左右。碳纖維布為陽極材料時,一個周期內(nèi)的最大電流值為3.07mA,比以普通碳布為陽極時的3.25mA下降了0.18mA ,反應(yīng)器的電子捕獲效率從92.1%降為了41.2%。甲烷產(chǎn)率為359.2mmol/(m~2·d),比以普通碳布為陽極時提高了將近100mmol/(m~2·d)。以20mL/L的乙醇為底物時,最大電流為2.05mA,電流值從22h就開始下降,甲烷產(chǎn)率為255.3mmol/(m~2·d),電子捕獲效率為61.2%。以垃圾滲濾液為底物,最大電流可以達(dá)到4.08mA,甲烷產(chǎn)率為126.4mmol/(m~2·d)。 微生物厭氧系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷產(chǎn)率為84.5mmol/(m~2·d),大約是EMAS的1/3。EMAS產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的COD去除率為94.8%,MAS反應(yīng)器的COD去除率為78.1%,COD去除率比EMAS產(chǎn)甲烷反應(yīng)器低了16.7%。MAS反應(yīng)器產(chǎn)生的氣體中甲烷含量可達(dá)92.3%,而EMAS所產(chǎn)生的氣體中甲烷含量最高達(dá)81.4%。MAS反應(yīng)器在平均運行了28d后才有穩(wěn)定的甲烷產(chǎn)量,而EMAS比MAS提前10d完成啟動過程。另外,在污泥產(chǎn)量、低溫產(chǎn)甲烷方面,EMAS也比MAS有優(yōu)勢。 【關(guān)鍵詞】：電化學(xué)輔助微生物厭氧系統(tǒng) 微生物厭氧系統(tǒng) 生物質(zhì)能 甲烷產(chǎn)率 電子捕獲效率
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：X703
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-28
• 1.1 課題背景11-15
• 1.1.1 國內(nèi)外能源現(xiàn)狀11-13
• 1.1.2 生物質(zhì)能源利用現(xiàn)狀13-15
• 1.2 電化學(xué)輔助微生物厭氧系統(tǒng)原理概述15-16
• 1.3 課題的目的及意義16-19
• 1.4 國外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用分析19-26
• 1.4.1 產(chǎn)甲烷反應(yīng)研究現(xiàn)狀19-20
• 1.4.2 國內(nèi)外在MEC 方向的研究現(xiàn)狀20-23
• 1.4.3 MEC 與MFC 系統(tǒng)的差異23
• 1.4.4 電化學(xué)輔助微生物厭氧系統(tǒng)的應(yīng)用23-25
• 1.4.5 電化學(xué)輔助微生物厭氧系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)25-26
• 1.5 課題來源及研究內(nèi)容26-28
• 1.5.1 課題來源26
• 1.5.2 研究內(nèi)容26-28
• 第2章 實驗的材料與方法28-39
• 2.1 實驗材料與儀器28-30
• 2.1.1 實驗材料28-29
• 2.1.2 實驗儀器29-30
• 2.2 反應(yīng)器的構(gòu)建30-31
• 2.2.1 空氣陰極MFC 反應(yīng)器的構(gòu)建30
• 2.2.2 EMAS 反應(yīng)器的構(gòu)建30-31
• 2.3 反應(yīng)器各參數(shù)的監(jiān)測方法31-36
• 2.3.1 揮發(fā)性有機酸的測定方法31-32
• 2.3.2 COD 的測定方法32
• 2.3.3 反應(yīng)器電壓值的采集與儲存32-33
• 2.3.4 極化曲線的測定原理與方法33-34
• 2.3.5 功率密度曲線的測定原理與方法34-35
• 2.3.6 反應(yīng)器電流值的實時監(jiān)控與采集35-36
• 2.4 分析與計算36-39
• 2.4.1 內(nèi)阻的測算36
• 2.4.2 功率密度的計算36
• 2.4.3 庫侖效率的計算36-37
• 2.4.4 氣體的成分及含量分析37-38
• 2.4.5 甲烷產(chǎn)率的計算38-39
• 第3章 產(chǎn)電菌的培養(yǎng)及性能分析39-47
• 3.1 空氣陰極MFC 反應(yīng)器的啟動39-42
• 3.1.1 陰極LSV 測定39-40
• 3.1.2 陽極材料的選擇及預(yù)處理40-41
• 3.1.3 空氣陰極MFC 的啟動41-42
• 3.2 空氣陰極MFC 反應(yīng)器的性能分析42-46
• 3.2.1 空氣陰極MFC 的電壓輸出42-43
• 3.2.2 空氣陰極MFC 的極化曲線43-45
• 3.2.3 空氣陰極MFC 的庫侖效率45-46
• 3.3 本章小結(jié)46-47
• 第4章 EMAS 產(chǎn)甲烷實驗條件及參數(shù)的優(yōu)化47-58
• 4.1 EMAS 產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的啟動47-49
• 4.2 外加電壓對體系產(chǎn)甲烷性能的影響49-51
• 4.3 曝氮氣對體系產(chǎn)甲烷性能的影響51-52
• 4.4 陽極材料對體系產(chǎn)甲烷性能的影響52-53
• 4.5 底物對體系產(chǎn)甲烷性能的影響53-56
• 4.5.1 乙酸鈉為底物時的產(chǎn)甲烷情況54
• 4.5.2 乙醇為底物時的產(chǎn)甲烷情況54-55
• 4.5.3 垃圾滲濾液為底物時的產(chǎn)甲烷情況55-56
• 4.6 本章小結(jié)56-58
• 第5章 MAS 與EMAS 的對比研究58-64
• 5.1 MAS 反應(yīng)器的啟動58-59
• 5.2 MAS 與EMAS 的對比研究59-62
• 5.2.1 甲烷產(chǎn)率59-60
• 5.2.2 COD 去除率60
• 5.2.3 氣體純度60
• 5.2.4 反應(yīng)器的啟動時間60
• 5.2.5 污泥產(chǎn)量60-61
• 5.2.6 低環(huán)境溫度產(chǎn)甲烷情況61-62
• 5.3 本章小結(jié)62-64
• 結(jié)論64-66
• 參考文獻(xiàn)66-71
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果71-74
• 致謝74-75

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