产电微生物驯化及其对双室微生物燃料电池产电性能的影响

本 科 毕 业 论 文产电微生物驯化及其对双室微生物燃料电池产电性能的影响学院名称： 化学与环境工程学院 专 业： 环境工程 班 级： 个人论文，请勿转载 学 号： 个人论文，请勿转载 姓 名： 只做参考 指导教师姓名： 只做参考 指导教师职称： 教 授 二 XXXX 年 XX 月江苏理工学院毕业论文I产电微生物驯化及其对双室微生物燃料电池产电性能的影响摘 要：微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种将有机物中化学能转化为电能的装置，在处理废水的应用中具有良好前景，它能够同时减缓能源短缺和环境污染这两大危机，研究意义巨大。生活中的废水来源广，成分复杂，以此构建的双室微生物燃料电池产电性能和处理污水效果也不同。为探究不同生活废水的处理效果，设计最优 MFC 装置，该实验设置多套装置研究两个影响因素，底物来源和底物驯化时间，分析了不同因素的各种指标开路电压，功率密度，COD 去除率，铜去除率。实验表明，当选用污水厂污泥，泥土，河底泥作为实验底物时，产电性能高的依次是河底泥，污泥，泥土。河底泥的最大功率密度为36.2mW/m， COD 去除率为 71.8%，铜去除率 93.8%。污泥，泥土的最大功率密度分别是 23.9 mW/m，22.5mW/m，污泥，泥土 COD 去除率分别为 70.2%，41.2%。污泥，泥土的铜去除率分别是 88.7%，86.8%。从驯化时间来看，已驯化的污泥各种指标都很高，非常适合作为 MFC 原料。驯化时间越长，开路电压高，总的实验时间长，功率密度大。其中驯化 20 天的底物，最大功率达到 36.9mW/m。不同驯化时间，COD 下降差距不大。驯化时间最长的组，COD 去除率略高于其他组， COD 去除率达 73.2%，而其他组别的 COD 去除率 70.1%左右。在最后时期，COD 下降缓慢，不如在前面时间段下降迅速。本实验结束时，由于 MFC 阴极可以把金属离子还原，得到可利用的低价态金属离子或金属单质，微生物燃料电池不仅产电，也产生了新的可用物质。它的出现有望把废水处理变成一个零成本甚至产生利润的产业。关键词：微生物燃料电池；污泥种类；污泥驯化时间；废水处理江苏理工学院毕业论文IIAcclimatization of Electrochemically Active Microorganisms and Its Effects on the Output Performance of Double Chamber Microbial Fuel Cell.Abstract: The microbial fuel cell (Microbial Fuel Cell, MFC) is a kind of device which transform chemical energy of organics into electrical energy. It has good prospects in treating waste water, which can simultaneously slow down two crises: energy shortage and environmental pollution. Thus, the study of MFC is of great significance. In daily life, waste water sources from everywhere, and different kinds of waste water has complex components. The double chamber microbial fuel cells device based on different source have different electrical generation performance and produce different effects.In order to explore the treatment effects of different domestic waste water and to design optimal MFC, the experiment sets up several sets of equipment and studies two factors, including substrate source and substrate acclimatization period, and analyzes the indicators of different factors - open circuit voltage, power density, COD removal rate, copper removal rate. The experiment shows that among three test substrates, river sediment has the highest electrical properties, next is sewage sludge, the third is soil. The maximum power density of river sediment is 36.2mW / m, COD removal rate is 71.8%, and copper removal rate is 93.8% . The maximum power density of Sludge and soil are respectively 23.9 mW / m and 22.5mW / m; the removal rates of sludge and soil COD are respectively 70.2% and 41.2%; and the copper removal rate of sludge and soil are respectively 88.7% and 86.8%. In view of the acclimatization period, the acclimatized sludges indicators are all very high, which is very suited to be a raw material of MFC. When the acclimatization period is longer,open circuit voltage is higher, the experiment time is longer, and the power density is greater. The maximum power of substrate, which is acclimatized for 20 days, is 36.9mW / m. In different acclimatization time , the decline of COD value has little difference. The longer the acclimatization period, COD removal rate slightly higher than the other groups. When acclimatization time reaches 20 days, COD removal rate is 73.2%, while COD removal rate of other groups is about 70.1%. In the final period, COD decreased slower than in the previous period. When experiment is over, microbial fuel cells produce not only electricity, but also a new substance, because MFC cathode restores metal ion, which obtains low-valence metal ions or metal elements. Its appearance is expected to turn waste water treatment into a zero-cost but profitable industry.江苏理工学院毕业论文IIIKey Words: Microbial Fuel Cell; the kinds of sludge; the acclimatization period of sludge; waste water treatment江苏理工学院毕业论文IV目 录第一章 绪 论 .11.1 生活中的污水 .11.1.1 生活废水现状 .11.1.2 水处理现状 .21.2 微生物燃料电池 .31.2.1 微生物燃料电池装置 .31.3.2 微生物燃料电池工作原理 .41.3.3 微生物燃料电池的特点 .41.3.4 微生物燃料电池在水处理中的应用 .51.4 课题研究的背景 .61.5 课题研究的目的和意义 .61.6 课题研究的主要内容 .7第二章 实验材料与方法 .82.1 实验仪器与试剂 .82.2 微生物燃料电池装置 .92.3 实验原料 .92.4 分析测试方法 .102.4.1 电流和电流密度 .102.4.2 功率密度 .112.4.3COD 和 COD 去除率 .11第三章 不同阳极底物微生物燃料电池比较分析 .123.1 不同污泥来源比较 .123.2 产电效果比较分析 .123.3 废水处理效果比较分析 .16江苏理工学院毕业论文II3.4 小结 .17第四章 不同驯化时间下微生物燃料电池产电性能 .184.1 驯化时间比较 .184.2 产电效果比较分析 .184.3 废水处理效果比较 .224.4 小结 .22第五章 双室微生物燃料电池的铜回收 .245.1 三种不同污泥的铜回收效果比较 .245.2 不同驯化时间的铜回收效果比较 .255.3 小结 .25第六章 结 论 .26参考文献 .28致 谢 .30江苏理工学院毕业论文第 1 页 共 30 页第一章 绪 论1.1 生活中的废水1.1.1 生活废水现状生活废水是指生活中产生的废水。有城市建设，公共建筑废水，以及学校家庭所产生的废水。与人们最密切相关的废水就是家庭废水。生活中的废水只有很少一部分经过处理，大部分都是未经过处理直接排入了河流，小城市更严重。如今我国生活水平的提高，城市化进程加快，农村城市排放污水包括生活废水和工业废水占据了总污水排放量的一半以上，而且这个趋势正在增加。生活废水越来越多，越来越影响着生态环境和人们的生活质量。水体的主要污染源之一就是生活中产生的污水，其中主要有粪便和洗涤污水。生活废水导致了自然水体的的不断恶化，使得水资源紧张成了日益严重的问题。2006 年，生活废水排放量约 300 亿吨，工业废水 240 亿吨，两者相差不多。近几年生活废水排放连年增长，2011 年和 2012 年已经分别增长到 430 亿吨和 460 亿吨。涨幅为 53%，而工业废水控制较好，2102 年工业废水排放 220 亿吨，减少了 8%。由数据可见，生活废水正日益增多。大多数水体，如小区河流，城市河流，水体都呈现黑灰色或者沙黄色，有严重的更是发出一阵阵恶臭，深深影响人们生活质量。据报道，城市一个人一天有 150 到 400L 的污水产生量，对环境影响恶劣。从原理上讲，生活污水大多营养物质丰富，有蛋白质、糖类、脂肪，和其他有机物及其分解产物，也有很多无机物，比如泥土，沙子，石头，氯化物、磷、钾、硫酸盐。泥土，沙子，石头这些让水质变得混浊，而营养物质和无机物为水生植物提供了过度营养，导致其大量繁殖。水里植物过多繁殖，呼吸作用需要消耗大量的水中溶解氧，与河里小动物争抢氧气，影响水生动物的生长和生存。水中溶解氧耗尽后，有机物将进行厌氧分解，产生硫化氢、氨等物质而使水发臭，水质也进一步恶化。此外，生活废水中往往含有病原微生物，可造成水媒传染病，如伤寒、霍乱、痢疾等疾病的流行。江苏理工学院毕业论文第 2 页 共 30 页1.1.2 水处理现状面对日益增多的城市污水，污水处理也逐渐被重视。目前的传统污水处理方式有以下几种：（1）循环间歇曝气污水处理工艺优点是高负荷氧化沟处理效率高，序批式活性污泥污水处理工艺出水，整体去除效率高，投资和去除有机物的处理系统比，减少 30%。而且出水达到国家污水排放一级标准。（2）旋转接触氧化污水处理工艺该技术是一种生物膜技术，比较简单，可靠，污染小，工业废水中的难降解物质可以用该技术。（3）连续循环曝气系统工艺CCAS 工艺，是以 SBR（Sequencing Batch Reactor，序批式处理法）工艺为基础而革新改进的，由电脑控制，可以用生物方式去除废水中的磷、氮等元素。（4）SPR 高浊度污水处理技术SPR 不同于 SBR，他主要是利用化学方法，而非生物方法。该方法可以避免二次污染 1。这些处理工艺各有优缺点，但总体成本较高，剩余污泥较多。不过比起前几年的污水处理现状已经是进步飞快，发现迅速了。无论是从技术革新，还是污水厂的扩建来讲，都有积极意义。2006 年末，我国城市污水处理厂日处理能力仅有 6122 万吨，而到 2012 年末，我国城市污水处理厂日处理能力已达 11858 万吨，年均复合增长达 11.65%2；同时，城市污水处理率也从 2006 年的 56%增长至 2012 年的 84.9%，城市污水处理能力获得大幅提升 2，这样的进步离不开政府的良好政策法律和正确的引导。在革新污水处理方法的时候，微生物燃料电池作为一个新课题被越来越多的人重视，企图打破传统污水处理方式的思维，构建一个绿色，低成本，高效率的产电装置，产电同时再利用了水资源，这与传统处理方法有本质区别。传统污水处理工艺存在以下弊端：（1）COD 氧化和硝化耗能巨大，且在 COD 氧化中，无形中失去贮存在 COD 内的大量化学能（每 kg COD 约含 1.4107J 代谢热） 3（2）反硝化与磷的生物聚集均需消耗 COD江苏理工学院毕业论文第 3 页 共 30 页（3）剩余污泥量大（4）消耗能源多，产生大量二氧化碳，进入大气。 1.2 微生物燃料电池微生物燃料电池(MFC)是一种产生生物电能装置 4。它能利用细菌通过微生物的自我代谢作用，将化学能转化为电能，具有双重意义既产生了电能，又处理了废水，回收了铜离子 5。生活中的废水几乎 100%蕴含了丰富的有机物，故而在底物上有相当广泛的选择，这也为微生物燃料电池提供了一个很好的开端。1.2.1 微生物燃料电池装置实验室水平的 MFC 装置结构不同，所用材料也不同。总体来说，微生物燃料电池分为双室 MFC 和单室 MFC。本实验探究的是双室 MFC 的产电性能。双室 MFC由三个最基本组成：阳极室、阴极室，阴阳两极室之间的质子交换膜。阴极室，阳极室之间的间隔由质子交换膜固定，这是本实验比较关键的一个影响因素。双室装置比单室装置更难搭建就在这个地方，贴膜必须用心，质子交换膜必须保证固定牢靠，不渗漏，否则对实验影响很大，更严重会得出错误的数据和结论，应该相当注意。MFC 一般采用碳纸、碳布、石墨颗粒等多孔性导电材料作为电极。如图是本实验的装置简图及简略原理示意。图1-1 MFC结构及工作原理示意图已驯化微生物（工厂污泥/泥土/河底泥）硫酸铜溶液碳纸铜导线质子交换膜阳极阴极电阻e-乙酸钠溶液CO2H+4H+4e-+O22H2Oe-液面H+江苏理工学院毕业论文第 4 页 共 30 页质子透过材料的选择上，现在试验中大多选用的是质子交换膜 PEM。本实验中选用的也是质子交换膜 6。1.2.2 微生物燃料电池工作原理利用微生物的