微生物燃料電池—人工濕地系統(tǒng)處理污水效果及產(chǎn)電性能

【摘要】：針對(duì)目前我國(guó)水資源嚴(yán)重短缺，城鎮(zhèn)污水處理率不高等問(wèn)題，本文提出微生物燃料電池（Microbial fuel cell, MFC）—人工濕地（Constructed wetland，CW）系統(tǒng)，在處理生活污水的同時(shí)將污水中化學(xué)能以電能的形式回收，實(shí)現(xiàn)污水處理及資源化。 MFC-CW系統(tǒng)陽(yáng)極區(qū)填充3種粒徑的活性炭顆粒，陰極采用生物陰極。研究5個(gè)水力停留時(shí)間下MFC-CW系統(tǒng)的污水處理效果及產(chǎn)電性能，優(yōu)化出MFC-CW系統(tǒng)處理生活污水效果最好的2個(gè)水力停留時(shí)間（HRT）。在優(yōu)化出的2個(gè)HRT下以相同條件運(yùn)行MFC-CW系統(tǒng)和CW系統(tǒng)，考察生物產(chǎn)電對(duì)CW系統(tǒng)處理生活污水的促進(jìn)效果。在HRT為12h下對(duì)MFC-CW系統(tǒng)和CW系統(tǒng)不同基質(zhì)層出水進(jìn)行樹(shù)脂分級(jí)實(shí)驗(yàn)，研究出水中溶解性有機(jī)污染物（DOM）中不同組分的分布情況及在系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。 考察5個(gè)HRT下MFC-CW系統(tǒng)處理生活污水效果及產(chǎn)電性能，結(jié)果表明：隨著HRT的延長(zhǎng)，系統(tǒng)對(duì)污水中COD和NH4+-N的去除率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，SS去除效率逐漸增加。當(dāng)HRT為12h時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD和NH4+-N的去除效果最好，分別達(dá)到89.2%和36.0%，SS為93.2%。系統(tǒng)內(nèi)阻隨HRT的延長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)HRT為6h時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定輸出電壓為0.68V，系統(tǒng)獲得最小內(nèi)阻為46.2和最大功率密度為1.30W/m3。當(dāng)HRT為48h時(shí)，獲得最大庫(kù)倫效率為7.96%。系統(tǒng)陰極停止曝氣后12h時(shí)，陰極區(qū)溶解氧由7.3mg/L降低到2.0mg/L，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)輸出電壓下降0.002V，當(dāng)停止曝氣時(shí)間達(dá)到24h時(shí)，輸出電壓降低0.009V。 MFC-CW系統(tǒng)和CW系統(tǒng)在2個(gè)HRT下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：MFC-CW系統(tǒng)不同基質(zhì)層出水的PH值均略小于CW系統(tǒng)，水力停留時(shí)間越長(zhǎng)（48h）兩系統(tǒng)出水的PH值越小。HRT為12h時(shí)，MFC-CW系統(tǒng)出水COD去除率達(dá)到83.1%，CW系統(tǒng)為74.6%，生物產(chǎn)電作用有助于CW系統(tǒng)對(duì)污水中COD的降解。HRT為12h時(shí)MFC-CW系統(tǒng)對(duì)TN去除率達(dá)到16.6%，HRT為48h時(shí)去除率達(dá)到8.3%。TN主要來(lái)自于NH4+-N，HRT為48h時(shí)，MFC-CW系統(tǒng)各層基質(zhì)對(duì)NH4+-N的去除率分別為4.5%、3.4%和2.0%。 對(duì)系統(tǒng)不同基質(zhì)層出水DOM進(jìn)行樹(shù)脂分級(jí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著基質(zhì)層的加深兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)DOC的去除效果均有提高。生物產(chǎn)電作用可以促進(jìn)CW系統(tǒng)對(duì)HPI、HPO-A和HPO-N的降解；而HPO-N和TPI-N可以被完全降解；MFC-CW系統(tǒng)和CW系統(tǒng)對(duì)TPI-A的去除效果較差幾乎沒(méi)有。MFC-CW系統(tǒng)上層基質(zhì)對(duì)UV-254的去除效果（74.2%）已優(yōu)于CW系統(tǒng)下層處理效果（69.9%）。進(jìn)一步分析表明，生物產(chǎn)電作用主要促進(jìn)CW系統(tǒng)對(duì)親水性（HPI）蛋白質(zhì)的降解，而CW系統(tǒng)對(duì)TPI-A組分表征的蛋白質(zhì)的降解效果優(yōu)于MFC-CW系統(tǒng)。MFC-CW系統(tǒng)較CW系統(tǒng)對(duì)多糖的去除效果好。MFC-CW系統(tǒng)不僅對(duì)細(xì)胞代謝產(chǎn)物有較好的處理效果而且對(duì)CW系統(tǒng)不能降解的富里酸類(lèi)熒光物質(zhì)也具有去除作用，而腐殖酸類(lèi)熒光物質(zhì)在MFC-CW系統(tǒng)不同基質(zhì)層中呈現(xiàn)逐漸積累的趨勢(shì)。 【關(guān)鍵詞】：微生物燃料電池—人工濕地系統(tǒng)（MFC-CW） 污水處理 產(chǎn)電性能 溶解性有機(jī)污染物
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：X703;TM911.45
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-22
• 1.1 水污染現(xiàn)狀及問(wèn)題11-12
• 1.1.1 污染現(xiàn)狀11
• 1.1.2 污水處理面臨的問(wèn)題11-12
• 1.2 人工濕地的發(fā)展現(xiàn)狀12-16
• 1.2.1 歷史發(fā)展12-13
• 1.2.2 基本類(lèi)型13-14
• 1.2.3 人工濕地的特點(diǎn)14-16
• 1.3 微生物燃料電池（MFC）16-18
• 1.3.1 MFC 的發(fā)展17
• 1.3.2 原理17
• 1.3.3 MFC 的優(yōu)缺點(diǎn)17-18
• 1.4 MFC-CW 現(xiàn)狀18
• 1.5 污水中有機(jī)物的研究現(xiàn)狀18-19
• 1.6 課題研究的目的、意義和內(nèi)容19-22
• 1.6.1 課題的研究目的和意義19-20
• 1.6.2 課題研究?jī)?nèi)容20
• 1.6.3 技術(shù)路線20-22
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料與方法22-29
• 2.1 引言22
• 2.2 實(shí)驗(yàn)原料22
• 2.3 實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行方式22-24
• 2.3.1 MFC-CW 系統(tǒng)22-23
• 2.3.2 CW 系統(tǒng)23
• 2.3.3 MFC-CW 系統(tǒng)及 CW 系統(tǒng)的運(yùn)行方式23-24
• 2.3.4 實(shí)驗(yàn)用儀器設(shè)備名稱(chēng)24
• 2.4 電化學(xué)分析方法24-26
• 2.4.1 電流密度和功率密度24-25
• 2.4.2 極化曲線及功率密度曲線25
• 2.4.3 內(nèi)阻25
• 2.4.4 庫(kù)倫效率25-26
• 2.5 分析與計(jì)算方法26-29
• 2.5.1 常規(guī)分析測(cè)試方法26-27
• 2.5.2 COD 去除率27
• 2.5.3 XAD 樹(shù)脂分級(jí)實(shí)驗(yàn)27-28
• 2.5.4 蛋白質(zhì)的測(cè)定28
• 2.5.5 多糖的測(cè)定28-29
• 第3章 MFC-CW 系統(tǒng)的啟動(dòng)及不同 HRT 下污水處理效果及產(chǎn)電性能29-38
• 3.1 引言29
• 3.2 MFC-CW 系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行29
• 3.3 MFC-CW 系統(tǒng)對(duì)污水處理效能29-32
• 3.3.1 MFC-CW 系統(tǒng)對(duì) COD 的去除29-31
• 3.3.2 MFC-CW 系統(tǒng)對(duì) SS 的去除31
• 3.3.3 MFC-CW 系統(tǒng)對(duì) NH_4~+-N 的去除31-32
• 3.4 不同水力負(fù)荷下污水處理效果32-34
• 3.4.1 COD 的去除32-33
• 3.4.2 SS 的去除33
• 3.4.3 NH_4~+-N 的去除33-34
• 3.5 MFC-CW 系統(tǒng)的產(chǎn)電性能34-37
• 3.5.1 電壓輸出34-35
• 3.5.2 極化曲線及功率密度曲線35-36
• 3.5.3 庫(kù)倫效率36
• 3.5.4 陰極溶解氧濃度對(duì)輸出電壓的影響36-37
• 3.6 本章小結(jié)37-38
• 第4章 不同 HRT 下 MFC-CW 系統(tǒng)與 CW 系統(tǒng)的對(duì)比38-47
• 4.1 引言38
• 4.2 MFC-CW 系統(tǒng)及 CW 系統(tǒng)在不同 HRT 下對(duì)污水處理效能38-45
• 4.2.1 PH 值38-39
• 4.2.2 氧化還原電位（ORP）39-40
• 4.2.3 COD 的去除效果40-41
• 4.2.4 TN 的去除效果41-42
• 4.2.5 NH_4~+-N 去除效果42-43
• 4.2.6 NO_3~--N 和 NO_2~--N 的去除效果43-44
• 4.2.7 TP 的去除效果44-45
• 4.3 MFC-CW 產(chǎn)電性能評(píng)價(jià)45-46
• 4.4 本章小結(jié)46-47
• 第5章 MFC-CW 系統(tǒng)與 CW 系統(tǒng)對(duì)污水中溶解性有機(jī)物的去除效能對(duì)比47-64
• 5.1 引言47
• 5.2 MFC-CW 系統(tǒng)與 CW 系統(tǒng)處理污水中 DOM 結(jié)果分析47-54
• 5.2.1 DOC 的去除47-49
• 5.2.2 UV-254 的去除49-50
• 5.2.3 SUVA 的變化50-51
• 5.2.4 溶解性蛋白質(zhì)的變化51-53
• 5.2.5 多糖的變化53-54
• 5.3 MFC-CW 系統(tǒng)與 CW 系統(tǒng)處理污水后有機(jī)物組分光譜分析54-62
• 5.3.1 三維熒光光譜分析54-61
• 5.3.2 紫外-可見(jiàn)光譜分析61-62
• 5.4 本章小結(jié)62-64
• 結(jié)論64-65
• 參考文獻(xiàn)65-71
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果71-73
• 致謝73

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