微生物燃料电池-人工湿地是一种新型污水处理系统。该系统利用微生物燃料电池和人工湿地中结构和电位梯度的相似性将两者结合,从而达到污水处理与生物产电的双重目的。在该系统中微生物燃料电池的主要结构为单阳极室空气阴极。人工湿地作为微生物燃料电池的阳极区,阳极埋放在人工湿地基质中。水面与空气的界面为阴极区,阴极放置在水与空气的界面上。空气当中氧气和水中的质子反应生成水是阴极的主要反应。所以阴极需要同时接触空气和水。阴极与阳极通过外接电阻相连接。污水通入系统后,一部分污染物在人工湿地的作用下被降解,另一部分污染物在微生物燃料电池的作用下降解。所以在该系统中,微生物燃料电池既能够实现产电,也能够促进污染物的降解。系统中微生物燃料电池的阳极被埋放在人工湿地的基质当中并始终保持浸没状态,阳极能够保证处在良好的相对厌氧环境并充分与污染物接触阳极反应。所以系统中阳极的工作环境相对稳定。产电微生物生长在阳极上和阳极周围,产生的电子被阳极收集,通过外接电路导出。所以电子的流动方向是从阳极到阴极。阳极区的产电微生物在产生电子的同时能够生成质子。质子通过人工湿地内部由阳极区到达阴极区。在阴极区,阳极区产生的电子、阳极区产生的质子、空气中的氧气在阴极上反应生成水。由于氧气存在于空气当中而质子存在于水中,为了保证阴极的工作性能,需要同时兼顾阴极与空气和水的接触。所以研究阴极的工作条件对系统的正常运行有很重要的意义。论文第一章和第二章为综述部分。第三章内容为研究中试规模系统中影响微生物燃料电池阴极工作条件的关键因素。建立中试规模微生物燃料电池-人工湿地系统。中试规模系统的尺寸为长、宽均为330 mm、高800 mm。给水厂脱水铝污泥块作为系统的主要基质。系统中安装单阴极、四阳极微生物燃料电池。系统所有电极为平面二维结构。阴极由不锈钢金属网和碳毡组成。金属网和碳毡贴在一起并弯成马鞍形。四分之一的阴极面积置于水面以下,阴极所处位置定义为阴极区。阴极区底部放置曝气头,能够在水面以下对阴极进行曝气。阴极区水面以上安装水循环泵。水面处的水被泵到水面以上阴极的顶端,之后经过阴极表面流回到水面。系统中总共有四个阳极。每个阳极只由不锈钢网构成,不同阳极埋放在系统的不同深度。系统进水模式采用连续流升流式。本部分实验研究了不同阴极工作条件以及微生物燃料电池连接方式对中试规模系统性能的影响。阴极的工作条件有四种:循环和曝气都不运行、只运行曝气、只运行循环、曝气和循环同时运行。微生物燃料电池的连接方式有两种:每个阳极分别通过一个外接电阻和阴极相连(平行连接)、所有阳极通过一个外接电阻和阴极相连(合并连接)。不同阴极工作条件和微生物燃料电池连接方式组合形成系统的运行条件。运行结果表明:在污水处理方面,进水COD浓度为500 mg/L左右。在循环和曝气都不运行的情况下,超过55%的COD由系统中人工湿地基质去除。当循环或曝气运行时,COD去除率进一步提升了20%以上。并且只运行曝气比只运行循环对COD去除的提升要高。当同时运行曝气和循环时,中试系统中在没有微生物燃料电池的状态下COD去除率高于83%。当外接电路由开路切换到闭路状态时微生物燃料电池开始工作。在阴极工作条件相同的情况下,平行连接比合并连接对COD去除率的贡献大。另外,当微生物燃料电池在平行连接并且阴极只运行循环的条件下对COD去除率的提升最高(提升了8.7%)。系统中COD的去除率最高达到91.7%(运行条件为平行连接并且在阴极区同时运行曝气和循环)。进水氨氮浓度为30 mg/L左右。中试系统中氨氮的去除明显受到阴极条件和微生物燃料电池连接方式的影响。循环和曝气同时运行时、平行连接状态的微生物燃料电池氨氮去除率最高(97.3%)。另外,微生物燃料电池的开闭路状态、阴极的不同运行条件均影响系统中硝化和反硝化作用。在产电方面,当曝气和循环都不运行时,阴极电位和所有阳极电位均为-453.96 m V左右。这是导致电压输出非常低的直接原因。这种情况下可以认为没有形成有效的微生物燃料电池。只有曝气或只有循环运行时,阴极电位明显提升,并且阴极电位在只有循环运行的条件(58.64 m V)下比只有曝气条件下要高(48.16 m V)。当循环和曝气同时运行时,阴极电位达到最大(144.33 m V)。曝气和循环均能促进氧气向在阴极区的扩散,所以距离阴极较近的阳极受到氧气扩散的影响越大。中试系统中不同深度的氧化还原电位不同。在平行连接情况下,每个阳极电位不同,彼此不受影响。在合并连接情况下,所有阳极的电位都相同并且电位较高。相同阴极工作条件下,总能量输出在平行连接状态下明显大于合并连接。根据中试系统实验表明,保证阴极区氧气和水在阴极上的有效接触是在系统中建立有效微生物燃料电池的基本条件之一。另外,多阳极单阴极微生物燃料电池平行连接能够显著提高能量产出。为了保证在微生物燃料电池-人工湿地系统中的阴极反应,水面位置和阴极的关系非常重要。水面过低会导致质子不能到达阴极使阴极失效。水面过高不但会阻碍阴极和氧气接触,而且生物膜在阴极上过度生长导致的生物膜污染也会明显降低阴极性能。要解决这两个问题需要在阴极区采取曝气或者水体循环来强化氧气在阴极周围水体当中的扩散。水体循环被认为是一种更节能的手段。所以在微生物燃料电池人工湿地系统应用水体循环具有良好的前景。水体循环在湿地当中根据水面的位置被分为两类:传统循环中水面的位置保持不变;潮汐流循环当中水面的位置会周期性变化。由于水面的变化会进一步促进氧气的扩散,所以论文的第四章研究了阴极区潮汐流循环的可行性以及其他因素的作用。第四章实验中建立微型微生物燃料电池人工湿地系统,在阴极区采用潮汐流式循环。为了达到进一步减少能耗的目的,一根虹吸管连接在阴极区用来实现潮汐流排水。虹吸管的入口连接阴极区底部,虹吸管的顶端与阴极区等高。微型系统中安装单阴极双阳极微生物燃料电池。阳极区和阴极区之间没有任何隔绝材料。顶部阳极和阴极距离非常近但没有直接接触。进水方式采用升流式连续流进水。根据水位在阴极区变化范围的不同,微型系统总共运行了两种潮汐流循环方式。第一种循环方式称为全虹吸循环。全虹吸循环中,水位的变化范围覆盖整个阴极室。第二种循环方式称为半虹吸。半虹吸循环中,水位变化范围只覆盖在阴极区的上半部分,同时阴极区的下半部分始终浸没。两种循环方式的相同点是阴极区的循环水都是从阴极区顶部进入并且从阴极区的底部排出。为了研究潮汐流循环和传统循环之间的区别,系统还运行了两种传统循环方式。第一种传统循环方式中,水面始终保持在阴极区的底部。第二种传统循环方式中,水面始终保持在阴极区的顶部。除了水循环中水位变化的影响,实验当中还研究了阴极区光照对微型系统的影响。光线能够进入阴极区定义为光照阴极条件,阴极区用遮光布包起来阻止光线进入定义为避光阴极条件。所有运行的条件按时间顺序依次为:闭路全虹吸循环(光照阴极)、闭路阴极底部水位传统循环(光照阴极)、闭路阴极顶部水位传统循环(光照阴极)、闭路全虹吸循环(光照阴极)、闭路半虹吸循环(光照阴极)、闭路半虹吸循环(避光阴极)、开路半虹吸循环(避光阴极)。进水COD浓度为300 mg/L左右。实验结果表明:在污水处理方面,COD去除率无论是全虹吸还是半虹吸循环条件下(88.64%)均高于两种传统模式(87.26%)高。传统循环模式中,COD去除率在阴极底部水位循环模式下(81.87%)比阴极顶部水位循环模式(87.26%)下要低。另外,当全虹吸循环模式在传统循环模式之后运行时,COD去除率(92.37%)比最初运行的全虹吸循环模式下(91.53%)还要高。半虹吸循环模式下COD去除率(91.49%)要比全虹吸循环低。阴极遮光后COD去除率(88.64%)降低,说明光照阴极促进COD的降解。进水COD浓度为300 mg/L,当微生物燃料电池从闭路切换到开路时,出水COD浓度只上升了15 mg/L左右。说明微型系统中绝大部分COD仍然是被人工湿地去除。虹吸循环比传统循环更加促进氧气向阴极区的扩散。不同虹吸循环模式下阴极区溶解氧的最高浓度(5.07 mg/L)高于传统循环模式的最高浓度(4.73 mg/L)。由于半虹吸循环中水面变化范围比全虹吸循环小,所以半虹吸循环中阴极区溶解氧浓度(4.88 mg/L)比全虹吸循环(5.07 mg/L)所下降。说明氧气扩散强度与水面变化范围有关。另外,在避光阴极条件下阴极区溶解氧的浓度降低,说明光照对氧气扩散有促进作用。进水氨氮和总氮浓度均为18 mg/L左右。在闭路全虹吸循环(光照阴极)和闭路阴极底部水位传统循环(光照阴极)这两个循环条件下氨氮全部去除,其他循环模式下氨氮去除率也均高于98.8%。在闭路全虹吸循环(光照阴极)条件下总氮的去除率为96.3%,但在随后的所有循环模式下总氮的去除率均在81%以下。当循环模式由传统循环再次切换到潮汐流循环时,总氮去除率反而下降。系统中总氮去除率主要由硝氮去除率决定。氮去除率在潮汐流循环与传统循环之间切换的不同说明硝化和反硝化在两种循环模式之间的变化是不可逆的。当系统运行至第二次全虹吸循环(总氮去除率为72.10%)之后,半虹吸模式下总氮的去除率(74.72%)升高。另外,在相同的循环模式下避光阴极的总氮去除率(75.16%)更高。当微型系统中微生物燃料电池切换为开路状态时,系统氨氮去除率变化不大但总氮去除率(73.03%)降低。说明微型系统中水位变化范围、光线、微生物燃料电池对反硝化作用都有影响。系统使用净水厂脱水铝污泥作为人工湿地基质,基质对污水中磷的强大吸附能力使得微型系统自始至终出水磷含量均在检测限以下。从第一个循环条件开始,阴极区就有绿色的藻类生成。水位的浸没范围决定了藻类的生长区间。全虹吸循环中藻类生长贯穿整个阴极室。由于底部水位传统循环条件下整个阴极暴露在空气当中,所以藻类的生长明显受限。顶部水位传统循环条件下藻类的生长范围贯穿整个阴极室。半虹吸循环条件下藻类生长同样贯穿整个阴极室,但在阴极室始终浸没的区域藻类生长情况更好。避光阴极和微生物燃料电池开路状态下没有明显抑制藻类在阴极区的生长。在第一个全虹吸循环条件下,顶部阳极与阴极之间的平均电压为497.83 m V,底部阳极与阴极之间的平均电压为358.9 m V。顶部阳极距离阴极很近,产电过程当中能量损失很低使得电压较高。另外,全虹吸循环条件下的电压输出存在周期性波动。输出电压会随着全虹吸当中水位的变化而变化。在第一个全虹吸循环条件下,每次全虹吸循环周期大约为十分钟。每次全虹吸循环周期中,九分半钟水面缓慢上升,最后半分钟水面快速下降。阴极电位在每次循环周期中始终保持不变。所有阳极电位随着水面的上升逐渐降低。排水时所有阳极电位随着水位降低迅速上升直到排水停止。水面重新开始上升时所有阳极电位又开始缓慢下降。两种传统循环模式下微型系统电压输出和电极电位一直保持恒定。当运行条件由全虹吸循环变为传统循环并且水位维持在阴极底部时,阴极电位保持不变而所有阳极电位(高于10.78 m V,之前所有阳极电位均小于-33.11 m V)明显升高,从而输出电压降低。传统循环中水位维持在阴极顶部时阴极电位仍保持不变并且所有阳极的电位均降低,所以电压输出也增大。但电压输出仍小于第一个全虹吸循环。当闭路全虹吸循环再次运行时,阴极电位有了一定程度的上升。但所有阳极电位也大幅度上升(均高于51.17 m V)导致电压输出较前一个运行条件明显降低。随后半虹吸循环开始运行,该条件下阴极电位进一步上升,同时顶部阳极电位(-3.97 m V)明显降低而底部阳极电位略微下降。从而半虹吸循环条件下电压输出提高。另外,半虹吸循环条件下的电压输出比全虹吸循环条件更加稳定,电压输出和电极电位没有明显随着水位变化而改变。当系统阴极失去光照时,所有电压输出和电极电位都没有明显变化。第五章主要研究放大微生物燃料电池-人工湿地系统。在实际规模人工湿地中应用微生物燃料电池-人工湿地系统,需要对系统进行放大。实际上,放大该系统的核心在于放大系统当中的微生物燃料电池。由于系统中安装的是空气阴极单室微生物燃料电池,并且人工湿地基质作为微生物燃料电池的阳极室。在大规模系统中应用多电极尤其是多阳极的微生物燃料电池是一种可行的放大方法。为了研究系统放大之后发生的变化,在微型系统的基础上建立大体积的实验室规模系统。所有系统中均安装单阴极多阳极微生物燃料电池。相比微型系统,实验室规模系统的阳极室存水体积扩大了十倍,阳极多了一个。阴极室存水体积保持不变但高度减小了一半左右。在微型系统和实验室规模系统中阴极和每个阳极的体积比相等。更大阳极区、更多阳极、更小的阴极占系统总体积比例是放大后系统的典型特征。两个装置进水COD浓度均为300 mg/L;氨氮和总氮浓度均为18 mg/L。全虹吸循环和半虹吸循环在两个装置的阴极区运行。实验结果表明:由于实验室规模系统阴极高度低于微型系统,在所有循环条件下实验室规模系统阴极室的溶解氧浓度(小于2.53 mg/L)明显低于微型系统(大于4.87 mg/L)。COD去除方面,实验室规模系统COD去除率(小于89.60%)也低于微型系统(大于94.18%)。实验室规模系统中,全虹吸循环条件下COD去除率最高(89.59%)并且阴极区溶解氧浓度最高(2.52 mg/L),半虹吸循环条件下COD去除率降低并且阴极区溶解氧浓度略微降低。当半虹吸循环条件下微生物燃料电池切换为断路时,COD去除率和阴极区溶解氧浓度均进一步降低。脱氮方面,实验室规模系统在全虹吸循环条件下氨氮去除率(低于91.54%)低于微型规模系统(高于99.55%),但最高总氮去除率实验室规模系统(75.75%)却高于微型系统(74.15%)。说明在系统放大之后,阴极区的硝化作用减弱但反硝化作用增强。这也是实验室规模系统中阴极区氧气扩散不足造成的。实验室规模系统由于阳极室体积变大,人工湿地的基质也较多,系统对磷的吸附能力更强。所以从运行开始到最终结束出水中的磷浓度一直保持在检测限以下。产电方面,在全虹吸循环条件下,顶部阳极与阴极之间的电压输出在实验室规模系统(210.52 m V)中要低于微型系统(298.25 m V)。其原因一方面微型系统的阴极电位(347.61 m V)高于实验室规模系统(292.84 m V),另一方面微型系统顶部阳极电位(51.18 m V)低于实验室规模系统顶部阳极电位(82.26 m V)。另外,底部阳极与阴极之间的电压输出在实验室规模系统中(519.03 m V)远高于微型系统(270.25 m V)。因为实验室规模系统底部阳极电位(-221.13 m V)明显低于微型系统底部阳极电位(79.11 m V)。当循环模式由全虹吸循环切换为半虹吸循环时,微型系统的阴极电位升高(上升至393.42m V)而实验室规模系统的阴极电位降低(降低至247.61 m V)。两个系统中顶部阳极电位均降低,但是实验室规模系统的顶部阳极电位的降幅远大于微型系统顶部阳极电位的降幅。所以半虹吸循环条件下,实验室规模系统中顶部阳极与阴极之间的电压输出高于微型系统。另外,实验室规模系统中微生物燃料电池阳极比微型系统多一个。所以实验室规模系统的总功率输出(大于0.62 m W)高于微型装置(小于0.25 m W)。实验室规模装置在两种循环条件下电压输出和电极电位都很稳定。说明在微生物燃料电池-人工湿地系统放大之后会产生更加稳定的能量输出。总之,本论文探索了阴极工作条件和运行方式在微生物燃料电池-人工湿地系统中的作用和意义。不同的阴极条件表明,保证水体与空气在阴极上的有效接触是建立微生物燃料电池的重要条件之一。为了保证阴极反应,水面以下的阴极需要水下曝气,水面以上的阴极需要水体循环使阴极保持湿润。当采用水体循环来强化氧气扩散时,潮汐流水体循环不但能够保证阴极反应,而且对阳极区的冲击小。与传统水位恒定的循环模式相比,潮汐流循环有明显的优势。在放大实验中,阳极体积的扩大使得距离阴极较远的阳极收到阴极区的冲击较小,并且电压输出更加稳定。以上结果对微生物燃料电池-人工湿地系统的发展提供了有利参考。