论文部分内容阅读
微生物燃料电池(Microbial fuel cell,简称MFC)是一种利用微生物的催化和代谢过程将有机物中的化学能转化为电能的装置。粪便黑水是一种富含有机污染物、氮磷污染物、致病细菌且排放量巨大的生活污水。本研究结合MFC系统和粪便黑水的研究现状,以提高MFC系统能量输出和黑水处理效果为目的,研究了不同阳极材料的制备表征以及作为阳极时黑水的处理及产电效果,同时对单双室MFC系统启动过程中黑水降解以及产电特性进行研究,并优化其工艺及运行参数。本研究选取锰矿石尾矿和磁性四氧化三铁作为阳极改性材料,利用涂膜法制备出锰矿改性电极(Mn-CF电极)和磁性四氧化三铁改性电极(Fe-CF电极),并对其进行电化学表征(循环伏安曲线(CV),阻抗曲线(EIS),塔菲尔曲线(TAFEL)),结果表明:负载量为0.5 g时Mn-CF电极的导电性、电荷传递阻力、腐蚀电流和腐蚀电压均最小;Fe-CF电极的CV曲线未出现明显的氧化还原峰,但随着负载量的增加电极的极化电阻、腐蚀电压以及其表面通过的电荷量随之增大。单、双室微生物燃料电池启动过程中,系统中氨氮和COD浓度均逐渐减小。启动结束时单、双室MFC系统COD的去除率分别为75%和72%,氨氮的去除率分别为39%和80%,最大输出电压分别为98m V和200 m V。当Mn-CF电极和Fe-CF电极作为阳极时,MFC系统运行前期存在一些差异,但随着运行时间的延长,黑水处理效果逐渐保持一致。Mn-CF电极作为阳极时系统产电有所波动,最高电压可保持在200 m V;Fe-CF电极作为阳极时系统电压增长趋势较为平缓,在3500 min时输出电压达到最大为125 m V。利用Mn-CF电极作为阳极进行MFC系统性能优化研究。对于单室MFC系统,阴极曝气强度的增大能有效的促进系统中氨氮和COD的去除,当曝气强度为40mg/L时氨氮和COD的去除率最大;在四种水力停留时间(HRT)下,系统最低出水氨氮和COD浓度在HRT=48 h时达到;进水COD为1000 mg/L时,系统对氨氮的去除效果达到最佳,去除率为93%。随着运行时间的增长,双室生物阴极MFC系统阴阳两极室中氨氮浓度均呈现逐渐减少的趋势,阳极室更为明显。双室非生物阴极MFC系统阳极室氨氮逐渐下降,阴极室氨氮上升。阳极室进水氨氮浓度对系统运行过程影响很大:低浓度时氨氮在两室之间转移最为有效,中浓度时阳极室中COD的降解最为有效,利用鸟粪石沉淀法可以十分有效的去除非生物阴极室中所富集的氨氮。