發(fā)布時間：2018-10-29 11:40

【摘要】：能源問題和環(huán)境問題是21世紀(jì)制約著人類的生存和社會的可持續(xù)發(fā)展的兩大難題。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境問題尤其是水體污染日益突出，環(huán)境保護(hù)問題越來越受到全社會的高度重視。同時傳統(tǒng)污水處理行業(yè)一直具有“高投入、零產(chǎn)出”的特點(diǎn)。因此，為保證人類的可持續(xù)發(fā)展，，尋求清潔新能源和新的污水處理工藝是當(dāng)務(wù)之急。在此背景之下，微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFC）作為一種新型生物能源技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。MFC是一種利用產(chǎn)電菌作為陽極催化劑，直接將廢水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為電能的裝置。由于其在處理廢水的同時產(chǎn)生電能這一獨(dú)特優(yōu)勢，最有希望作為一種可以產(chǎn)生效益的廢水處理技術(shù)，因而受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。 目前而言，MFC性能還較低，其單電池正常工作電壓僅為0.5V左右，電流也僅為十幾mA左右，尚不能滿足實際應(yīng)用需求。本文結(jié)合單、雙室電池各自的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建了基于單雙室MFC耦合的串/并聯(lián)電堆，研究了串/并聯(lián)電堆單元和電堆在不同運(yùn)行方式下的性能特性。研究中發(fā)現(xiàn)串聯(lián)電堆中子電池反極是電堆性能提升的限制性因素。針對以上現(xiàn)象，本文又對串聯(lián)電堆子電池發(fā)生反極現(xiàn)象的原因進(jìn)行了研究并提出了改善措施。同時，本文研究發(fā)現(xiàn)單室MFC在MFC電堆中具有獨(dú)特的pH調(diào)節(jié)作用，能顯著提高下游子電池的性能，從而提升整個電堆的性能�；�于這一獨(dú)特優(yōu)勢，文中還將空氣陰極單室電堆與到光合產(chǎn)氫反應(yīng)器（Photosythenic bioreactor，PBR）進(jìn)行耦合，利用單室MFC的pH調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)上游產(chǎn)氫反應(yīng)器廢液的pH后通入下游產(chǎn)氫反應(yīng)器中，促使整個反應(yīng)器系統(tǒng)產(chǎn)氫性能和有機(jī)物降解性能的提升。本文的主要研究成果如下： （1）基于單雙室耦合的MFC串/并聯(lián)堆性能特性研究 結(jié)合單室與雙室MFC單電池，構(gòu)建了基于單雙室耦合的MFC電堆單元，并以電堆單元構(gòu)建MFC電堆，研究了電堆單元和電堆的性能特性。結(jié)果表明：雙室-雙室MFC電堆單元在續(xù)批運(yùn)行過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的底物酸化，限制了下游MFC性能；雙室-單室MFC電堆單元在續(xù)批運(yùn)行中底物pH保持中性，電壓平臺能維持較長時間；雙室-單室MFC電堆單元在電路串聯(lián)及并聯(lián)條件下，均優(yōu)于雙室-雙室MFC電堆單元和單室-單室MFC電堆單元；雙室-單室電堆單元的pH調(diào)節(jié)作用主要是由于有機(jī)酸在單室MFC的陰極生物膜與空氣中氧氣發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水，消除了雙室MFC堆積的氫離子產(chǎn)物所致。本文還使用雙室-單室MFC電堆單元構(gòu)建了水路串聯(lián)電路串連的由四個MFC組成的電池堆（電堆DSDS），并對電堆在連續(xù)流和序批運(yùn)行方式下的性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：電堆DSDS在續(xù)批運(yùn)行過程中底物pH保持中性；前后電堆單元電壓輸出較為一致，使得電堆反極推遲，并能維持較長的電壓平臺；由于反極的推遲使得電堆獲得了較高的底物去除率和有效庫倫效率。 （2）串聯(lián)電堆子電池發(fā)生反極現(xiàn)象的原因及改善措施研究 針對串聯(lián)電堆中存在的子電池電壓反極現(xiàn)象，構(gòu)建了MFC電堆，對MFC電堆性能和單電池性能特性進(jìn)行了研究，分析了子電池產(chǎn)生反極的原因并提出了相應(yīng)的改善措施。研究結(jié)果表明：對于水路獨(dú)立、電路串聯(lián)的MFC電池堆，MFC單電池的最大輸出電流決定了電堆的最大輸出電流；電堆中輸出電流最小的MFC會首先發(fā)生反極；在發(fā)生反極時，反極MFC的陽極電位驟升，同時伴隨氧氣的產(chǎn)生；由于低電阻下啟動的MFC單電池能產(chǎn)生能產(chǎn)生更大的電流，因此由此構(gòu)建的電堆可獲得更大的輸出電流和最大功率密度。過高的陽極電位會使陽極產(chǎn)生氧氣；由于低電阻下啟動的MFC具備更利于傳質(zhì)的生物膜，使用低電阻啟動的MFC構(gòu)建電堆可以使得電堆的最大輸出電流及功率得到提升。 （3）空氣陰極電堆與PBR耦合系統(tǒng)性能特性研究 由于單室MFC具有調(diào)節(jié)底物pH的特性，考慮到多級串聯(lián)PBR同樣存在底物酸化問題，本文進(jìn)一步構(gòu)建了單室MFC電池堆，并將其應(yīng)用于多級串聯(lián)PBR系統(tǒng)，構(gòu)建了PBR-MFCs-PBR耦合系統(tǒng)。結(jié)果表明：通過使用同種菌種接種啟動PBR和MFC電堆，可使系統(tǒng)在連續(xù)流條件下實現(xiàn)多級PBR入口底物pH的不間斷調(diào)節(jié)，而不會造成菌種污染；SMFC電堆的調(diào)節(jié)作用使得系統(tǒng)整體性能得到顯著提升，相比于PBR直接串連的PBR-PBR系統(tǒng)，PBR-SMFC-PBR耦合系統(tǒng)的產(chǎn)氫速率和底物利用效率分別提升了28.1%和29.2%；第一級PBR出口液經(jīng)單室MFC電堆的處理后，其中乳酸、甲酸及丁酸等有機(jī)酸代謝產(chǎn)物被有效去除，使得下游PBR的底物抑制問題得到緩解。此外，通過單室MFC電堆的處理，PBR培養(yǎng)基pH值由5.65±0.01提升到6.8±0.10，使得下游PBR的底物酸化問題得到消除。
[Abstract]:Energy and environmental issues are two big challenges that restrict human survival and sustainable development in the 21st century. With the rapid development of economy, environmental problems, especially water pollution, are becoming more and more serious, and environmental protection is more and more highly valued by the whole society. At the same time, the traditional sewage treatment industry has the characteristics of 鈥淗igh input, zero output鈥

本文編號：2297587