微藻型微生物燃料电池处理养猪废水特性研究

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1、分类号:TU992.310710-2015229003专业硕士学位论文微藻型微生物燃料电池处理养猪废水特性研究李德溢导师姓名职称杨利伟博士葛万斌教授级高工专业学位类别工程硕士申请学位类别硕士及领域名称建筑与土木工程论文提交日期2018年5月3日论文答辩日期2018年6月7日学位授予单位长安大学CharacteristicStudyonSwineWastewaterTreatmentbyMicroalgaeMicrobialFuelCellsAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate

2、：LiDeyiSupervisor：Dr.YangLiweiChang’anUniversity,Xi’an,China摘要当前水资源危机、能源危机和环境污染问题日益突出，制约了人类社会的发展与进步，微生物燃料电池（MFCs）作为一种新的污水能源化技术，在处理废水的同时能够达到电能的回收，符合当今“绿色发展”理念和生态文明建设。能源微藻作为一种可代替传统化石燃料的清洁环保的生物质能，可将其作为MFCs的阴极生物催化剂，提高系统的输出功率密度，降低MFCs的构建成本，同时还可以收获能源微藻。另一方面，我国是猪肉生产大国，在养猪场快

3、速发展的过程中产生的废水占我国禽畜废水总排放量的3/5，废水中含有高浓度的COD、氨氮和TP，未经处理的养猪废水直接排放严重破坏了生态环境，但废水中的高浓度有机物是MFCs的理想基质。为此，本文构建了微藻型MFCs处理养猪废水，通过研究关键参数pH和底物浓度对系统产电性能和有机污染物降解效果的影响，验证了微藻型MFCs在高效处理养猪废水同时产电的可行性，同时研究了小球藻废水资源利用生长及净化作用。（1）在已有研究的基础上，确定最佳运行温度为30℃，光照强度为5500Lux。采用人工模拟配水启动微藻型MFCs，经过20d的启动，电

4、压稳定在165±5mV，说明电极完成了对产电细菌的选择和富集，系统启动成功并稳定运行，最大输出功率密度为231.64mW/m³，产电周期约80h，并能够有效的降解废水中的有机物，对COD的去除达到87.75%。（2）在稳定运行的基础上，研究了关键参数pH、底物浓度对微藻型MFCs产电性能和有机污染物降解效果的影响。结果表明：微藻型MFCs阳极液在碱性环境中有利于提高系统的性能，当pH值从6增加到10时，微藻型MFCs的产电性能随之提高，当pH=10时，系统的产电性能达到最佳，功率密度为534.84mW/m3，是pH=6时的最大出

5、功率密度的2.12倍；pH对COD的去除率影响不大，均在90%以上，氨氮的去除率随着pH值的升高而提高，当pH=10时，NH+4去除率达93.54%。底物浓度对系统的开路电压影响不大，稳定输出电压和功率密度随浓度的变化趋势均符合Monod方程变化规律；随着底物浓度的增大，系统的库伦效率逐渐降低，二者拟合曲线方程为：y=55.869x-0.36（R2=0.9848），库伦效率从COD=510mg/L时的5.97%降低至2.86%，降低了约52%；COD的去除效果随着底物浓度的增加逐渐上升，NH+4和TP的去除率随着底物浓度的增加逐

6、渐下降。从产电性能、污染物降解能力和效率多方面的综合分析评价，底物初始COD=950mg/L时，系统的综合性能表现最佳。因此，微藻MFCs在温度为30℃，光照I强度为5500Lux，pH=10，初始COD=950mg/L的条件下运行，系统产电性能和有机物降解效果的综合性能表现最佳。（3）将人工模拟配水运行的微藻型MFCs用于处理实际养猪废水，经过三个产电周期，系统达到稳定状态，稳定输出电压为220mV，产电周期约120h，最大输出功率为432.44mW/m3，对COD、NH+4和TP的去除率分别达85.61%、90.50%和38

7、.97%，库伦效率为6.28%。与同浓度的人工模拟配水的效果相比，输出电压略有下降，但库伦效率有所提升，说明系统对养猪废水的利用率更高，可以高效的降解养猪废水中的有机污染物并同时产生电能。（4）通过分析比较在不同水体中小球藻的生长情况和净水效果，发现小球藻在养猪废水原水中由于浓度较高不能正常生长，有机物降解主要靠废水中原有的微生物降解；稀释8倍养猪废水和阳极出水在小球藻的净化下，出水水质达到畜禽养殖业水污染排放标准（GB18596-2001）；小球藻能够迅速进入对数生长期，细胞干重分别达到0.397g/L和0.258g/L，比生

8、长速率分别为0.286/d和0.196/d。关键词：微藻型微生物燃料电池，小球藻，养猪废水，有机污染物，库伦效率IIAbstractNowadays,theproblemofwaterresourcescrisis,energycrisisandenvironm