連續(xù)流微生物脫鹽燃料電池的構(gòu)建及性能研究.pdf

1、水資源短缺及水污染嚴(yán)重已成為制約我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一。傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)導(dǎo)致了較高的化石能源需求,海水淡化技術(shù)可以增加水資源的供應(yīng)量,但高能耗的問題同樣制約其應(yīng)用和推廣,低能耗的海水淡化技術(shù)及水中有機(jī)物定向轉(zhuǎn)化和能源化新方法是可持續(xù)水處理技術(shù)發(fā)展趨勢。
　　微生物脫鹽電池(Microbialdesalinationcell,MDC)是根據(jù)生物電化學(xué)系統(tǒng)(Bioelectrochemicalsystem,BES)技術(shù)衍生

2、出來的,利用陽極上的產(chǎn)電微生物氧化有機(jī)物污染物產(chǎn)生電能,在陰陽極間形成電場推動(dòng)脫鹽室中鹽離子去除,不需要任何外加的壓力和電場即可實(shí)現(xiàn)同步產(chǎn)電、脫鹽和污染物去除。然而目前MDC系統(tǒng)內(nèi)存在的pH不平衡問題嚴(yán)重抑制了反應(yīng)器的性能,并且空氣陰極生物電化學(xué)系統(tǒng)中溶解氧對(duì)反應(yīng)器性能影響較大,上述問題都將影響MDC系統(tǒng)的未來應(yīng)用。本論文以MDC為研究手段,開展了新型反應(yīng)器設(shè)計(jì)、海水淡化、污染物去除和溶解氧對(duì)反應(yīng)器性能影響等方面研究。
　　開發(fā)了

3、無pH抑制效應(yīng)的內(nèi)循環(huán)MDC(recirculationMDC,rMDC)反應(yīng)器。利用反應(yīng)器陽極室和陰極室產(chǎn)生的酸堿相互中和以消除反應(yīng)器內(nèi)pH不平衡,運(yùn)行周期內(nèi)可保持溶液pH近中性的環(huán)境,MDC陽極溶液pH=5.0為反應(yīng)器性能降低的拐點(diǎn),陽極溶液pH<5.0時(shí)由于產(chǎn)電菌的活性受到抑制反應(yīng)器性能迅速下降。rMDC的最大功率密度和COD去除率遠(yuǎn)高于MDC反應(yīng)器,在25mMPBS條件下rMDC的NaCl去除率比MDC反應(yīng)器提高了48％,而50

4、mMPBS時(shí)卻比MDC降低了13%,高緩沖鹽濃度增加了底物循環(huán)過程中陰陽極室間的電勢損失,rMDC在低緩沖液條件下的優(yōu)異性能可以降低其在實(shí)際應(yīng)用中因污水電導(dǎo)率較低產(chǎn)生的影響。
　　在rMDC基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并構(gòu)建了四個(gè)反應(yīng)器單元串聯(lián)的連續(xù)流微生物脫鹽燃料電池(串聯(lián)MDC)。四個(gè)反應(yīng)器單元的最大功率密度均高于間歇流運(yùn)行的普通三室MDC,通過增加串聯(lián)MDC單元數(shù)目可以有效提高污染物的處理能力。鹽溶液HRT延長脫鹽效果隨之提高,鹽溶液HRT為

5、1d時(shí)NaCl去除率為76±1%,HRT增加到2d時(shí)NaCl去除率提高到97±1%。陽極微生物16SrDNA基因文庫結(jié)果顯示,兼性厭氧微生物Klebsiellaornithinolytica為各單元中最優(yōu)勢菌群,能夠發(fā)酵木糖產(chǎn)生多種小分子的混合酸,推測其功能為嚴(yán)格厭氧的產(chǎn)電微生物提供厭氧環(huán)境,維持產(chǎn)電系統(tǒng)的穩(wěn)定。
　　探索了使用青貯秸稈和啤酒廢水兩種廢棄生物質(zhì)為底物驅(qū)動(dòng)串聯(lián)MDC實(shí)現(xiàn)同步產(chǎn)電脫鹽的可行性。青貯秸稈水洗液作為碳源和同

6、時(shí)作為碳源、氮源時(shí)MFC反應(yīng)器的最大功率密度分別為847±3mW·m-2和609±3mW·m-2。分別以青貯秸稈水洗液和啤酒廢水運(yùn)行串聯(lián)MDC時(shí),青貯秸稈水洗液為底物的反應(yīng)器NaCl去除率可達(dá)到74±2%(鹽溶液HRT=1d)和96±2%(鹽溶液HRT=2d)。不添加任何緩沖液直接進(jìn)啤酒廢水的反應(yīng)器COD去除率在75%-83%之間,NaCl去除率為50%-55%。
　　研究了空氣陰極MES系統(tǒng)中溶解氧對(duì)反應(yīng)器性能的影響。開發(fā)了用于