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随着能源危机的加剧,人们不得不寻找新的清洁能源,此时,CW-MFC应运而生。CW-MFC在微生物的催化下,将污水中有机物中的化学能转化为电能,兼顾污水处理和生物发电的双重功效。近年来人们对其进行了大量的研究,尤其是生物阳极的研究,但是阴极的研究很少,尤其是生物阴极的研究更少,在CW-MFC中,阴极是极其重要的一部分,电子、质子以及电子受体在阴极完成还原反应,阴极反应差,电化学反应缓慢,导致系统的电性能与净水性能差。所以,本文对修饰阴极进行深入研究。本文分别采用强化曝气阴极、微生物修饰阴极、化学修饰阴极对阴极的性能进行实验研究和数值模拟,探讨提高阴极性能的最佳方案。本文构建四个实验柱,无修饰阴极搭建的CW-MFC作为实验柱一,主要起对照作用;曝气修饰阴极搭建的CW-MFC作为实验柱二;三价铁修饰阴极搭建的CW-MFC作为实验柱三;反硝化细菌修饰阴极搭建的CW-MFC作为实验柱四。通过对比实验研究其产电性能与净水性能的差别,以获得最佳性能的修饰阴极。通过实验研究我们得到了一下有价值的结论:(1)在电性能方面:曝气修饰阴极CW-MFC的性能最好,达到稳定所用的时间最短,且产生的最大电压达到483m V,最大功率密度为0.25W/m3,对应的最大电流密度为1.53A/m3,其内阻为160Ω;对照组无修饰阴极CW-MFC的性能其次,达到稳定所用的时间为18天,产生的最大电压为200m V,达到的最大功率密度为0.0069W/m3,对应的最大电流密度为0.21A/m3,其内阻为250Ω;三价铁修饰阴极CW-MFC的性能第三,达到稳定的时间为31天,产生的最大电压为171m V,达到的最大功率密度为0.34W/m3,对应的最大电流密度为4.39A/m3,其内阻为50Ω;反硝化细菌修饰阴极CW-MFC的性能最差,产生的电压一直较低,一直在波动,没有一个明显的稳定时间,最大电压只有29m V,达到的最大功率密度为0.00071W/m3,对应的最大电流密度为0.071A/m3,其内阻为170Ω;(2)水质净化方面:曝气修饰阴极CW-MFC具有最好的COD降解特性,COD的去除率达到99%,其余三个实验柱在COD去除方面差别不是很大;曝气修饰阴极的CW-MFC也具有最好的NH-N的去除特性,曝气修饰阴极CW-MFC氨氮去除率>反硝化细菌修饰阴极CW-MFC氨氮去除率>对照组无修饰阴极CW-MFC氨氮去除率>三价铁修饰阴极CW-MFC氨氮去除率,稳定最大去除率分别为98.8%、94.4%、86.6%、83.4%;反硝化细菌修饰阴极CW-MFC具有最佳的反硝化特性,NO-N的去除率最高,达到87.8%,其次为无修饰阴极CW-MFC,NO-N的去除率达到78.7%,三价铁修饰阴极CW-MFC的去除率为78.0%,最差的为曝气修饰阴极CW-MFC,基本上没发生任何的反硝化脱氮,NO-N的含量不仅没有减少,反而增加,去除率为-32.6%;由于实验过程是将阳极也阴极组合成电池,作为一个整体进行研究,没有单独对阴极本身的性能进行测试研究,为此单独对阴极强化曝气CW-MFC阴极进行了数值模拟,模拟的结论如下:(1)产电性能方面:入口COD浓度为150mg/L,250mg/L,350mg/L时,其最大输出电压分别为344.23m V,354.57m V,364.33m V。可以发现入口COD浓度越高,CW-MFC系统所能达到的最大电压越大。且通过分析发现入口COD浓度影响阳极生物膜入口COD浓度,进一步影响了CW-MFC系统的电性能;(2)阴极特性方面:A、当入口COD浓度为150mg/L,250mg/L,350mg/L,阴极所能达到的最大电势为246.0 m V。在小电流密度条件下,不同COD浓度的入口的阴极极化差别不大,限制阴极还原反应的因素为阴极的电化学特性;在大电流密条件下,不同COD浓度的阴极极化差较大,低浓度的COD在阳极厌氧产浓度较低,低浓度的H限制阴极还原反应,阴极电位下降较高浓度COD的阴极下降的快。这也阴极性能角度印证了较高浓度的入口COD的电池的阴极特性较好。B、当水利停留时间分别为1天、2天、3天时,阴极所能达到的最大电势为246.0 m V。缩短水利停留时间,H传输速率加快。但过分的缩短水利停留时间,使系统水流速度快,产电菌与底物的接触时间短而活性低,且流入阴极的有机物相对较多也不利于影响产电。最佳的水利停留时间为2天。