光催化強(qiáng)化微生物燃料電池構(gòu)建及脫氮產(chǎn)電效果初探.pdf

1、氮素排放是造成水體污染的最重要原因之一。微生物燃料電池（MFCs）可以在脫氮同時(shí)產(chǎn)生電能，為污水脫氮提供了新思路。通過(guò)文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn) MFCs脫氮面臨著反硝化易、硝化難的瓶頸，而污水中氮素多以氨氮的形式存在，嚴(yán)重制約了MFCs技術(shù)的應(yīng)用。本論文針對(duì)此問(wèn)題提出了光催化與MFCs的結(jié)合技術(shù)，制作了光催化強(qiáng)化微生物燃料電池（Photo-MFCs），采用 p、n型兩種光催化劑實(shí)現(xiàn)光生電子和空穴的分離和富集，利用光生空穴的強(qiáng)氧化性加強(qiáng) MFCs陽(yáng)極

2、室的硝化效果，利用光生電子的強(qiáng)還原性加強(qiáng)MFCs陰極室的反硝化效果，從而解決MFCs硝化難的問(wèn)題。同時(shí)，Photo-MFCs還能將MFCs脫氮反應(yīng)與產(chǎn)電過(guò)程耦合，從而提高 MFCs產(chǎn)電能力。論文在以有機(jī)物和氨氮作為混合基質(zhì)和氨氮為單一基質(zhì)條件下，分別研究了有機(jī)物、氨氮和硝態(tài)氮對(duì)Photo-MFCs脫氮和產(chǎn)電的影響；論文還研究了光催化對(duì)Photo-MFCs脫氮和產(chǎn)電的強(qiáng)化作用，并分析了Photo-MFCs中氮素的遷移轉(zhuǎn)化途徑以及電子傳遞過(guò)

3、程，得到以下主要結(jié)論：
　?、僖杂袡C(jī)物和氨氮為混合基質(zhì)時(shí)，降低有機(jī)物的濃度，Photo-MFCs脫氮和產(chǎn)電效果都有所下降。當(dāng)水力停留時(shí)間為12h，進(jìn)水有機(jī)物濃度從122±2.8mg/L降低至0mg/L時(shí)，Photo-MFCs總氮的去除率降低了2.74倍，最高電流產(chǎn)生量由1.06mA降低為0.16mA。較低的有機(jī)物濃度有利于陽(yáng)極室氨氮的硝化，當(dāng)系統(tǒng)中不存在有機(jī)物時(shí)，陽(yáng)極室氨氮的去除量從6.3±2.70mg/L增加到11.5±0.70

4、mg/L，硝態(tài)氮的累積量從-0.7±1mg/L增加到6.7±0.7mg/L。
　?、谝园钡鳛槲ㄒ换|(zhì)時(shí)，Photo-MFCs仍然能實(shí)現(xiàn)脫氮和產(chǎn)電，且氨氮濃度對(duì)Photo-MFCs脫氮和產(chǎn)電效果起主要作用，硝態(tài)氮濃度對(duì)系統(tǒng)總氮去除量和產(chǎn)電性能無(wú)顯著影響。隨著陽(yáng)極室進(jìn)水氨氮濃度的增加，Photo-MFCs脫氮和產(chǎn)電效果先增加后降低。當(dāng)氨氮濃度為70mg/L時(shí)，Photo-MFCs脫氮和產(chǎn)電效果最好，12h內(nèi)陽(yáng)極室內(nèi)氨氮的去除量達(dá)到1

5、9.3mg/L，硝態(tài)氮的累積量達(dá)到15.41mg/L；陰極室內(nèi)硝態(tài)氮和總氮的去除量分別為22.3mg/L和17.1mg/L；Photo-MFCs最大電流為0.042mA，最大功率密度為3.68μW/m2。
　?、郛?dāng)氨氮作為唯一基質(zhì)時(shí)，Photo-MFCs陽(yáng)極室去除的氨氮中62.6％轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，7%轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮，0.9%擴(kuò)散到了陰極室，其它部分的可能揮發(fā)至大氣或被微生物同化吸收。陰極室中被去除的硝態(tài)氮主要被還原為氮?dú)?，有少量亞?/p>

6、態(tài)氮累積。
　?、芄庹沼兄谔嵘?Photo-MFCs的脫氮和產(chǎn)電效果。在紫外光照射下，12h內(nèi)Photo-MFCs陽(yáng)極室內(nèi)氨氮的平均硝化速率由0.58mg/(L·h)增加至1.34 mg/(L·h)，陰極室反硝化速率由0.5mg/(L·h)增加至1.2mg/(L·h)，平均產(chǎn)電量也由0.012mA增加至0.032mA。光照可增加電極的氧化還原性，有助于硝化和反硝化反應(yīng)的發(fā)生。在光照時(shí)微生物燃料電池兩極電勢(shì)差由20mV增加到了72