微生物燃料電池水動力學(xué)與生物電化學(xué)模型的研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial fuel cells: MFCs)是一種利用微生物氧化有機(jī)物或無機(jī)物并同時產(chǎn)生電能的裝置，近年來已成為污水處理領(lǐng)域研究的熱點。目前MFC的研究工作主要集中在尋找高電活性的微生物、合適的電子受體、良好的電極材料及其修飾方法以及探索反應(yīng)器構(gòu)型等方面。盡管水動力學(xué)是影響MFC內(nèi)部傳質(zhì)和反應(yīng)的重要因素，但關(guān)于MFC水動力學(xué)的研究少之又少。MFC的運(yùn)行包含傳質(zhì)、生化、物化和電化學(xué)等過程，機(jī)理十分復(fù)雜，通過數(shù)學(xué)建

2、模的方法有助于深入理解MFC的運(yùn)行機(jī)制，然而，目前關(guān)于MFC模型的報道相對較少，尤其是針對無中介體添加的MFC系統(tǒng)。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴采用鋰離子在四個不同的水力停留時間(HRT)下對電膜生物反應(yīng)器(EMBR)進(jìn)行示蹤實驗，利用多釜串聯(lián)(TIS)模型、軸向擴(kuò)散(AD)模型和Martin模型分析示蹤實驗的結(jié)果，得到EMBR的死體積和短流等重要信息，并闡述了死體積隨HRT的變化情況。和TIS及AD相比，Martin模型可以更好

3、的描述反應(yīng)器的流動狀態(tài)且能夠準(zhǔn)確預(yù)測反應(yīng)器的死體積，其模擬結(jié)果表明EMBR內(nèi)部存在三個不同的流動區(qū)域。采用計算流體動力學(xué)(Computational FluidDynamics)方法分析了EMBR的內(nèi)部流場，發(fā)現(xiàn)EMBR流態(tài)在反應(yīng)器運(yùn)行40 s之后即可達(dá)到穩(wěn)定。通過可視化云圖得到死區(qū)在EMBR內(nèi)部的分布情況，發(fā)現(xiàn)死區(qū)主要位于反應(yīng)器的底部以及頂部外側(cè)。此外，速度矢量場模擬結(jié)果說明了反應(yīng)器內(nèi)部存在短流的必然性。研究結(jié)果同時發(fā)現(xiàn)EMBR的電流

4、密度與DO濃度和死體積的乘積呈正相關(guān)，而HRT是影響EMBR死體積大小及陰極平均DO濃度的直接因素，因此確定合適的水力條件對提高EMBR產(chǎn)電性能至關(guān)重要。
　　⑵構(gòu)建了基于生物膜的一維多種群無介體雙室MFC模型，模型圍繞陽極展開，主要包含生化反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)、傳質(zhì)過程以及酸堿平衡及氣液轉(zhuǎn)換等內(nèi)容。利用所建立的模型考察了底物的進(jìn)料濃度、進(jìn)料流量、初始生物濃度以及產(chǎn)電菌的初始比例等四個重要因素對MFC的電流密度、庫倫效率和甲烷產(chǎn)量的影