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微生物燃料电池处理啤酒废水的实验研究

作　者: 吴英
导　师: 温青
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 环境工程
关键词: 微生物燃料电池啤酒废水输出功率 COD去除率
分类号: X797
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)可以将废水中的有机物转化成电能,在降解废水的同时实现废水的资源化。本实验构建了单室空气阴极MFC和阴阳极联合双室MFC,以碳纤维作阳极、以啤酒废水作底物,研究了MFC在产电的同时对啤酒废水的降解效果。单室空气阴极MFC在降解啤酒废水的同时有着良好的产电性能。水力停留时间为2.13h,有机物浓度为614 mg/L时,MFC的最大输出电压可达到0.578V,最大输出功率为9.52W/m3,啤酒废水中有机物去除率达到40%以上。阳极室操作条件对MFC的性能有很大影响。MFC的输出功率随着啤酒废水浓度的升高逐渐增大。浓度增大到2062 mg/L时,最大输出功率达到42.6W/m3。浓度越高,COD去除率越高,但库仑效率越低。废水中加入磷酸盐缓冲溶液也可以提高MFC的输出功率,同时提高废水处理效果。啤酒废水浓度为614 mg/L,水力停留时间为2.13h的条件下,实验建立了单室空气阴极MFC的基本电化学模型：通过对该条件下极化曲线的非线性拟合,得到影响MFC性能的主要因素是动力学活化损耗和浓度损耗,并且整个MFC的控制因素在阴极。阴阳极联合双室MFC工艺可以大大提高啤酒废水的处理效果。当整个连续流系统水力停留时间(HRT)为14.7h时,MFC对啤酒废水COD去除率可达到90%以上,其中阳极室和阴极室的贡献几乎各占到一半。同时MFC的开路电压和最大输出功率可达到0.434 V和0.83 W/m3 (23.1 mW/m2)。磷酸盐缓冲溶液的加入可以有效的提高MFC的产电量,但对废水处理效果影响不大。研究表明,MFC用于啤酒废水的处理是可行的,在废水得到降解的同时可以回收电能,降低处理成本,实现废水的资源化。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-21
  1.1 啤酒废水产生及处理现状  11-12
    1.1.1 啤酒废水的产生和水质特点  11-12
    1.1.2 啤酒废水处理现状  12
  1.2 微生物燃料电池  12-19
    1.2.1 微生物燃料电池的工作原理  13-14
    1.2.2 微生物燃料电池的特点  14
    1.2.3 微生物燃料电池的发展历程和研究现状  14-17
    1.2.4 微生物燃料电池在废水处理中的应用  17-19
  1.3 课题的研究目的、意义和内容  19-21
    1.3.1 研究目的和意义  19-20
    1.3.2 研究内容  20-21
第2章实验材料与分析测试方法  21-29
  2.1 实验仪器与药品  21-22
  2.2 实验装置  22-24
  2.3 接种污泥、废水水质和运行控制方法  24-25
  2.4 测定项目和方法  25-28
    2.4.1 电压和电流  25
    2.4.2 内阻和功率密度  25-26
    2.4.3 电极电势和极化曲线  26
    2.4.4 Tafel曲线和交流阻抗  26-27
    2.4.5 库仑效率和废水处理效率  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章以啤酒废水为底物的单室MFC的性能研究  29-58
  3.1 单室MFC的启动运行  29-32
    3.1.1 启动期输出电压变化  29-30
    3.1.2 启动期阳极电势变化  30-31
    3.1.3 启动期废水处理效果  31-32
  3.2 外电阻对MFC性能的影响  32-39
    3.2.1 外电阻对MFC产电性能的影响  32-34
    3.2.2 外电阻对电极电势的影响  34-36
    3.2.3 外电阻对MFC的输出电压影响  36
    3.2.4 外电阻对废水处理效果和库仑效率的影响  36-39
  3.3 底物浓度对MFC性能的影响  39-48
    3.3.1 浓度对MFC产电性能的影响  40-42
    3.3.2 浓度对电极电势的影响  42-43
    3.3.3 浓度对废水处理效果的影响  43-44
    3.3.4 浓度对Tafel曲线的影响  44-46
    3.3.5 浓度对交流阻抗谱的影响  46-48
  3.4 缓冲溶液对MFC性能的影响  48-51
    3.4.1 缓冲溶液对产电性能的影响  48-50
    3.4.2 缓冲溶液对废水降解效果的影响  50
    3.4.3 缓冲溶液对不同输出电压下的交流阻抗谱的影响  50-51
  3.5 空气阴极MFC的基本电化学模型  51-56
    3.5.1 MFC模型的建立  51-54
    3.5.2 MFC极化曲线的非线性拟合和分析  54-56
  3.6 本章小结  56-58
第4章以啤酒废水为底物的阴阳极联合双室MFC性能研究  58-71
  4.1 阴阳极联合双室MFC的启动运行  59-60
    4.1.1 启动期输出电压和阳极电势的变化  59-60
    4.1.2 启动期废水处理效果  60
  4.2 阴阳极联合双室MFC处理啤酒废水的性能研究  60-70
    4.2.1 啤酒废水处理效果  61-65
    4.2.2 产电性能  65-66
    4.2.3 电极电势分析  66-68
    4.2.4 Tafel曲线和交流阻抗谱的分析  68-70
  4.3 本章小结  70-71
结论  71-72
参考文献  72-80
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  80-81
致谢  81

微生物燃料电池处理啤酒废水的实验研究

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