光催化强化微生物燃料电池构建及脱氮产电效果初探

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1、光催化强化微生物燃料电池构建及脱氮产电效果初探重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：周碧指导教师：徐璇副教授专业：环境科学与工程学科门类：工学重庆大学城市建设与环境工程学院二O一五年四月ConstructionandPrimaryInvestigationofNitrogenRemovalandPowerGenerationonPhotocatalysis-MicrobialFuelCellsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillm

2、entoftheRequirementfortheMaster‘sDegreeofEngineeringByZhouBiSupervisedbyAss.Prof.XuXuanSpecialty:EnvironmentalScienceandEngineeringCollegeofUrbanConstructionandEnvironmentalEnigineeringChongqingUniversityApril,2015中文摘要摘要氮素排放是造成水体污染的最重要原因之一。微生物燃料电池（MFCs）可

3、以在脱氮同时产生电能，为污水脱氮提供了新思路。通过文献分析发现MFCs脱氮面临着反硝化易、硝化难的瓶颈，而污水中氮素多以氨氮的形式存在，严重制约了MFCs技术的应用。本论文针对此问题提出了光催化与MFCs的结合技术，制作了光催化强化微生物燃料电池（Photo-MFCs），采用p、n型两种光催化剂实现光生电子和空穴的分离和富集，利用光生空穴的强氧化性加强MFCs阳极室的硝化效果，利用光生电子的强还原性加强MFCs阴极室的反硝化效果，从而解决MFCs硝化难的问题。同时，Photo-MFCs还能将MFCs脱氮

4、反应与产电过程耦合，从而提高MFCs产电能力。论文在以有机物和氨氮作为混合基质和氨氮为单一基质条件下，分别研究了有机物、氨氮和硝态氮对Photo-MFCs脱氮和产电的影响；论文还研究了光催化对Photo-MFCs脱氮和产电的强化作用，并分析了Photo-MFCs中氮素的迁移转化途径以及电子传递过程，得到以下主要结论：①以有机物和氨氮为混合基质时，降低有机物的浓度，Photo-MFCs脱氮和产电效果都有所下降。当水力停留时间为12h，进水有机物浓度从122±2.8mg/L降低至0mg/L时，Photo-M

5、FCs总氮的去除率降低了2.74倍，最高电流产生量由1.06mA降低为0.16mA。较低的有机物浓度有利于阳极室氨氮的硝化，当系统中不存在有机物时，阳极室氨氮的去除量从6.3±2.70mg/L增加到11.5±0.70mg/L，硝态氮的累积量从-0.7±1mg/L增加到6.7±0.7mg/L。②以氨氮作为唯一基质时，Photo-MFCs仍然能实现脱氮和产电，且氨氮浓度对Photo-MFCs脱氮和产电效果起主要作用，硝态氮浓度对系统总氮去除量和产电性能无显著影响。随着阳极室进水氨氮浓度的增加，Photo-M

6、FCs脱氮和产电效果先增加后降低。当氨氮浓度为70mg/L时，Photo-MFCs脱氮和产电效果最好，12h内阳极室内氨氮的去除量达到19.3mg/L，硝态氮的累积量达到15.41mg/L；阴极室内硝态氮和总氮的去除量分别为22.3mg/L和17.1mg/L；Photo-MFCs最大电流为20.042mA，最大功率密度为3.68μW/m。③当氨氮作为唯一基质时，Photo-MFCs阳极室去除的氨氮中62.6%转化为硝态氮，7%转化为亚硝态氮，0.9%扩散到了阴极室，其它部分的可能挥发至大气或被微生物同化

7、吸收。阴极室中被去除的硝态氮主要被还原为氮气，有少量亚硝态氮累积。④光照有助于提升Photo-MFCs的脱氮和产电效果。在紫外光照射下，12h内Photo-MFCs阳极室内氨氮的平均硝化速率由0.58mg/(L·h)增加至1.34mg/(L·h)，I重庆大学硕士学位论文阴极室反硝化速率由0.5mg/(L·h)增加至1.2mg/(L·h)，平均产电量也由0.012mA增加至0.032mA。光照可增加电极的氧化还原性，有助于硝化和反硝化反应的发生。在光照时微生物燃料电池两极电势差由20mV增加到了72mV。

8、光照过程中电子的传递过程为：氨氮→硝化细菌→n型半导体→p型半导体→反硝化细菌→硝酸盐→氮气。关键词：微生物燃料电池，光催化，脱氮，产电，氨氮II英文摘要ABSTRACTThedischargeofnitrogencontaminatedwastewaterisanimportantreasonforthepollutionofbodies.Basedonthenewconcept,microbialfuelcells(MFCs)suppl