基于胞外电子传递作用强化污水厌氧产甲烷效能研究.pdf

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1、博士学位论文基于胞外电子传递作用强化污水厌氧产甲烷效能研究ENHANCEDMETHANEPRODUCTIONFROMWASTEWATERTHROUGHTHEEXTRCELLULARELECTRONTRANSFERMECHANISM蔡伟伟哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：X703.1学校代码：10213国际图书分类号：628.16.098密级：公开工学博士学位论文基于胞外电子传递作用强化污水厌氧产甲烷效能研究博士研究生：蔡伟伟导师：王爱杰教授申请学位：工学博士学科：环境科学与工程所在单位：环境学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：

2、哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:X703.1U.D.C:628.16.098DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringENHANCEDMETHANEPRODUCTIONFROMWASTEWATERTHROUGHTHEEXTRCELLULARELECTRONTRANSFERMECHANISMCandidate：WeiweiCaiSupervisor：Prof.AijieWangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality

3、：EnvironmentalScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofEnvironmentDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要传统厌氧水处理的能源化过程主要依赖于产甲烷古菌利用乙酸/氢气作为电子供体驱动二氧化碳还原产生甲烷。在该过程中，主要涉及到嗜乙酸产甲烷菌和嗜氢产甲烷菌，前者在生长速率上要显著小于后者，然而在传统厌氧消化过程中，嗜氢产甲烷菌拥有较高的产甲烷速率，但是该

4、途径只占30%左右，而嗜乙酸产甲烷菌的贡献则接近70%。因此如何强化嗜氢产甲烷菌的产甲烷过程对于强化厌氧消化过程产甲烷的能力起着至关重要的作用。针对甲烷形成过程中甲烷菌群落结构上的限制，本研究通过电极内置形成了阳极以胞外电子传递过程为主，阴极以二氧化碳还原为主的产甲烷过程，形成了嗜氢甲烷菌为主要功能菌的，耦合了微生物电解与厌氧消化过程的强化型厌氧生物反应器。该反应器在处理剩余污泥发酵液进行厌氧消化产甲烷过程中，其甲烷产生速率从0.0259m3甲烷/m3反应器/d提高到0.0564m3甲烷/m3反应器/d，速率提高了2.18倍，发酵过程中产生的

5、挥发酸，其降解速率也得到了明显的提高。群落结构在外加电压的刺激性形成了胞外电子传递菌为主要的阳极功能区及嗜氢产甲烷菌主导的阴极产甲烷功能区。针对嗜氢产甲烷菌实现富集的机制及产甲烷过程电子传递机制尚不明确的问题，重点研究了生物阴极的微观环境和群落结构，在阴极生物膜上研究其电子传递机理，解析甲烷的形成过程。在生物阴极表面，其pH值由于质子的消耗出现了明显的浓度梯度，最高可达10，与此同时，根据mcrA功能基因测序的结果可知，其主要的产甲烷菌在种的分类水平上最接近于Methanobacteriumalcaliphilum，属于典型的嗜碱氢营养型产甲

6、烷菌，结果说明在生物阴极的微观环境下，嗜碱微生物的生长受到了促进。氢气微电极的测定结果可知，越接近生物阴极的表面，其氢气浓度越高，说明在阴极产甲烷过程中氢气仍然是电子介体的形式之一。在联合采用循环伏安和微电极测试的系统中，其结果显示氢气浓度随着电化学反应的进行有明显变化，在生物阴极和非生物阴极中，生物阴极的氢气浓度非常显著的低于非生物阴极。结果进一步证实了氢气在阴极生物膜内是重要的电子中介体。针对阴极生物膜内嗜氢产甲烷菌利用氢气还原二氧化碳产甲烷的机制，提出对阴极材料进行修饰提高电子传递效率，以及利用信号分子诱导群体感应强化电子传递活性，共同

7、强化阴极上产甲烷过程中的电子回收效率，提高能量回收效率。在利用石墨烯修饰泡沫镍后，交流阻抗的数据显示该复合材料能够有效的降低电化学反应过程的电子传递阻力。在0.4V的外加电压下，石墨烯泡沫镍复合材料的电子回收效率是27.17%，相比之下，泡沫镍的电子回收效率则是14.91%。能量效率从52.91%提高到92.46%。在利用红磷对泡沫镍进行磷化处理后，得到四磷化五-I-哈尔滨工业大学工学学位博士论文镍和二磷化镍的复合材料，该材料的线性伏安和交流阻抗得到的塔菲尔斜率的值非常接近，说明其催化阻力明显降低，不是反应过程的限速步骤。在阴极上的电子回收效

8、率上，磷化镍达到了81.83%，相比之下泡沫镍的阴极电子回收效率只有62.05%，其电子回收效率提高了1.32倍。泡沫镍的能量效率只有95.29%，磷化镍的能量效率