磁场对双室MFC脱氮及产电性能的影响研究

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微生物燃料电池(MFC)在去除污染物的同时能够实现电能的回收,因此受到了广泛关注。在污水处理领域,氮素的去除是重要的一环,双室MFC可以在阳极消耗COD产电的同时进行阴极生物脱氮,为污水脱氮提供了新思路。由于技术制约了MFC的产能,MFC中氮素的去除速率也较低,本研究针对MFC产能和脱氮效率不佳的问题提出了磁场与MFC结合的技术,旨在为提高双室MFC产电性能和脱氮能力提供理论支撑。论文主要得到以下结论:(1)以不施加磁场、阳极施加磁场、阴极施加磁场和两极施加磁场的方式分别对4组双室MFC施加20 mT的磁场环境,对比不同磁场施加方式下启动的MFC的产电性能和脱氮能力。结果表明:与对照组MFC-0相比,在阳极施加磁场的条件下,MFC-A的启动速度较快,平均峰值电压从400 m V提高到442 m V,最大功率密度从123.01 m W/m~2提高到145.92 m W/m~2,阳极COD去除率从87.46%上升至92.24%,总氮(TN)去除率从54.75%上升至57.75%;在阴极施加磁场的条件下,MFC-C的平均峰值电压和最大功率密度分别为414 m V和132.09 m W/m~2,阳极COD去除率为88.20%,TN去除率从54.75%上升至59.52%;在两极磁场的共同作用下,MFC-AC获得了最优的产电性能和脱氮能力,其平均峰值电压、最大功率密度、阳极COD去除率、TN去除率分别为456 m V、165.89 m W/m~2、92.61%、60.22%。磁场对MFC的作用是不可持续但是可逆的,撤除磁场MFC的产电性能和污染物去除率会相应降低,随着磁场的再次施加,MFC的产电性能和污染物去除率得到恢复。(2)通过对双室MFC施加0 mT、20 mT、40 mT、80 mT和140 mT的磁场环境,考察不同强度磁场对双室MFC产电性能和脱氮性能的影响,并从微生物特性的基础上,进一步解析不同磁场强度作用于MFC的影响机制。结果表明:低强度的磁场(≤80 mT)条件下,MFC的运行特性随着磁场强度的增加而增强,随着磁场强度的进一步增加至140 mT,MFC-140的运行特性相比于80 mT下的MFC-80略有下降。MFC-80的运行特性最优,其平均峰值电压和最大功率密度分别为529 m V和249.64 m W/m~2;阳极COD去除率、阴极COD去除率、NH4+-N去除率和TN去除率分别为94.17%、92.14%、95.38%和63.32%。Proteobacteria(变形菌门)是所有组中阳极和阴极微生物群落相对丰度最高的门,Xanthobacter菌属是所有组中阳极微生物群落相对丰度最高的属,SM1A02菌属是所有组中阴极微生物群落相对丰度最高的属。施加磁场条件后,其优势菌种的群落丰度有不同程度的增加。较高磁场强度对MFC两极生物量的增长具有一定的促进作用,且增强了阳极脱氢酶活性和阴极脱氮酶活性。(3)对双室MFC阳极施加磁场,强化MFC产电的同时,阴极微生物菌群在强化电流的作用下生物活性得到了增强,且阳极传递至阴极的电子量增多,电极反硝化菌群接收可利用的电子数量增加,间接强化了MFC阴极脱氮能力。对双室MFC阴极施加磁场,强化MFC脱氮能力的同时,阴极菌群电子利用率增加,加速了电子传递过程,从而导致阳极产电菌加速降解COD,间接强化了双室MFC的产电能力。(4)电极反硝化菌群可以利用阳极传递至阴极的电子,以硝酸盐为电子受体实现反硝化脱氮。构建2组反硝化MFC,一组作为对照(CK组),一组施加80mT的磁场条件(M组),考察电极反硝化菌群驯化过程和逐渐改变外电阻条件对反硝化MFC产电性能和脱氮能力的影响,对比有无磁场条件下MFC的产电性能和电极反硝化能力的差异。结果表明:当阴极碳氮比降低至0时,两组MFC的产电性能均达到最优,M组的产电性能优于CK组;两组MFC的NO3--N去除率均显著降低,M组的NO3--N去除率均高于CK组;NO2--N的最大积累浓度增加,M组的NO2--N的最大积累浓度均小于CK组。随着外电阻值减小,两组MFC的NO3--N去除率均呈现先增加后减小的趋势,M组在外电阻值为100Ω时获得了最大的NO3--N去除率,为59.76%,CK组在外电阻值为200Ω时获得了最大的NO3--N去除率,为31.20%。
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