双阴极微生物燃料电池同步脱氮产电研究.doc
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1、双阴极微生物燃料电池同步脱氮产电研究摘要:构建了双阴极三室微生物燃料电池(MFCs),实现了同步脱氮和产电功能,并对其脱氮机理进行了分析。试验结果表明,在独立进水间歇运行阶段,厌氧阳极、好氧阴极和缺氧阴极的最大功率密度分别为1.0、0.34和0.31Wm3,厌氧阳极室和缺氧阴极室库伦效率分别为(21.48.8)和(49.351.0),阳极室对COD和NH4+、一N的去除率分别为(98.90.2)和(46.54.0),好氧阴极硝化率接近100,缺氧阴极的反硝化率为(45.24-3.8)。在单一进水连续运行阶段,厌氧阳极、好氧阴极和缺氧阴极的功率密度分别为1.0、0.4和0.4Wm3,阳极室和缺氧
2、阴极室库伦效率分别为(2.50.2)和(18.30.4)。当电路断开时,厌氧阳极室对COD和氨氮的去除率分别降低了9.1和7.5,好氧阴极室的硝化率和缺氧阴极的反硝化率分别降低了4和8.8,系统对COD、NH4+、一N和TN的总去除率分别降低了2.3、5.8和15.6,说明在MFCs产电过程中,能够促进阳极对有机物的氧化和阴极的硝化、反硝化过程。阳极和缺氧阴极库伦效率较低,说明存在非产电过程的有机物氧化途径和硝酸盐还原途径。微生物燃料电池(MFCs)是一种可利用微生物的催化作用,将有机物中的化学能直接转化为电能的装置,因其原料来源广泛、操作条件温和、生物相容性好、发电清洁,且可从有机废物中直接
3、获得能量1,已被广泛应用于污水处理、制氢、海水淡化等领域。近几年,各国学者将MFCs与传统硝化反硝化工艺相结合,实现了同步硝化反硝化,可有效处理含氮废水2-4。根据反应器构型,用来脱氮的MFCs可分为单室、双室和三室3种类型。单室MFCs也称为空气阴极MFCs,一般利用空气中氧作为电子受体。通过离子交换膜将阳极和阴极分开,形成阳极室和阴极室就构成了双室MFCs,可应用于污水脱氮,即以NO3-作为电子受体在阴极进行反硝化。而三室MFCs构造简单,能同时去除有机物和氮,便于驯化适用于不同阴极的微生物,易于与传统污水处理工艺相结合,且较双室MFCs产电多,因此受到关注。但到目前为止,三室MFCs脱氮
4、的研究主要采用间歇进水,尚缺少连续进水的相关报道。因此,笔者构建了双阴极三室MFCs,分析了独立间歇进水和单一连续进水两种模式下的脱氮产电效果,并对双阴极三室MFCs实现同步硝化反硝化脱氮机理进行了初步探讨。1材料与方法1.1MFCs的构造H型双阴极三室MFCs由圆柱形有机玻璃管加工而成,由两张质子交换膜(PEM)依次分隔成缺氧阴极室、氧阳极室和好氧阴极室,内部净尺寸分别为12cm25cm、12cmx25cm和17cm25cm(见图1)。厌氧阳极室和缺氧阴极室具有电动搅拌机,并在顶部加盖板,尽量减少空气进入。好氧阴极室通过空气泵由气泡石供氧并起搅拌混合作用,控制溶解氧浓度为35mgL三张导电石
5、墨碳毡(20cm30cm0.5cm)沿短边卷成圆筒状分别放人三室作为电极,并通过钛丝与外部电阻箱连接,一般情况下两个外部电阻均维持为50。电极浸水深度为18cm,有效面积为540cm2。质子交换膜与液体接触面呈圆形,有效面积为38.465cm2,与有机玻璃壁接触处用软硅胶片密封,以防漏水。整个MFCs装置置于恒温(280.5)水浴池中。1.2材料活化质子交换膜和导电石墨碳毡在使用前需进行活化,具体活化方法见文献5。1.3试验方法试验分为两个阶段:独立进水间歇运行阶段(第一阶段)和单一进水连续运行阶段(第二阶段)。第一阶段过程中,为了在每一个电极驯化富集具有相应功能的微生物,并形成生物膜,向三个
6、电极室分别注入了不同组分的培养液,各培养液组分构成详见文献6。三室分别接种来自西安北石桥污水处理厂二沉池的回流污泥,接种量占各室有效容积的30。试验中,每一周期进水结束后,当阳极与缺氧阴极之间的电压降到10mV以下时,三室同时全部换入新的培养液,进入下一周期,连续三个周期的最大输出电压相近时,视为系统驯化完成。这一阶段,各室液面高度相同,液体总体积分别为2.453、2.453和4.729L。系统驯化完成后,进入第二阶段,这一阶段仅有一种培养液(组分与第一阶段阳极培养液相同)连续泵人阳极室,依次自流经过好氧阴极室和缺氧阴极室后排出,当输出电压变化不大时,视为系统达到稳定状态。这一阶段,厌氧阳极室
7、、好氧阴极室和缺氧阴极室的液面高度分别为21.4、21和20.5cm,各室液体总体积分别为2.611、4.956和2.509L。利用计量泵控制进水时的流量为10.1Ld,系统总水力停留时间(HRT)为24h。系统稳定运行一段时间后,将电路断开48h,分析电流对底物去除率的影响。1.4测定项目和方法输出电压由数据采集系统每隔5min自动记录一次。间歇运行时库伦效率CE按式(1)7计算,连续运行时按式(2)8计算。所有常规水质指标均按照水和废水监测分析方法(第4版)检测。2结果与讨论2.1第一阶段脱氮产电特性经过37d(5个周期)的间歇运行,好氧阴极和缺氧阴极最大电压分别达到了(2827.0)和(
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