阴极硝化耦合阳极反硝化实现微生物燃料电池技术脱氮

微生物燃料电池(MFC)是一种将废水中化学能转化为电能的技术,近年来被证实可以用来同步脱氮。目前,NH4+-N的硝化与反硝化多是在MFC阴极室进行,其存在曝气条件下反硝化菌难以富集的问题,造成反硝化速度慢。为解决上述问题,本研究旨在构建一种基于阴离子交换膜的(AEM)MFC,即AEM-MFC,使阴极好氧硝化过程产生的NO2-与NO3-能通过阴离子交换膜迁移至厌氧阳极室,并在厌氧阳极室发生还原,使得反硝化不需在好氧阴极室进行。结果表明,当阴极投加200 mg/L NH4+-N时,AEM-MFC能在66 h完全去除总氮,而同样条件下基于阳离子交换膜(CEM)的MFC,即CEM-MFC,则需要26 d达到相同的脱氮效果。在阴极室投加不同浓度NH4+-N(从50到500 mg/L)条件下,AEM-MFC连续运行7个月,其产电与脱氮效果稳定。相比于传统生物脱氮方法,AEM-MFC不需要在运行过程中在加入酸或碱调节pH,所需COD/N较少,并能够同时回收电能。     

玉米秸秆生物炭电极用于微生物燃料电池脱硫反硝化性能

研究了玉米秸秆生物炭作为微生物燃料电池电极的性能。阳极以S^2-为单一电子供体,阴极以NO3^-为电子受体,以碳毡为对照电极,考察玉米秸秆生物炭电极用于生物燃料电池同步脱硫反硝化的电化学性能、产电性能以及污染物去除能力,分析了不同硫氮质量浓度比对生物炭电极微生物燃料电池脱氮除硫效率以及输出电能的影响。结果表明,玉米秸秆生物炭电极微生物燃料电池实现了更高的交换电流密度(22.42×10^-3 A·cm^-2)和更低的电荷转移电阻(4.24Ω)。与碳毡电极相比,玉米秸秆生物炭电极微生物燃料电池最大输出电压和最大功率密度分别提升了18.91%和16.67%。当硫氮比为5:4时,反应器脱硫反硝化和产电能力最佳。阳极室S^2-出水质量浓度由120 mg·L^-1降至1.08 mg·L^-1,去除率为99.1%,其中76.52%转化为SO₄^2--S,阴极室NO₃^--N去除率...     

反硝化微生物燃料电池脱除低C/N废水中氮的研究

从污水处理厂新鲜活性污泥中分离筛选出3种反硝化菌株(M1、M2和M3).考察了3种菌株的生理特性和脱氮效率,并将其应用于反硝化微生物燃料电池(MFC)构建以实现低C/N废水的脱氮和同步产电.结果表明:菌株M1、M2、M3均为假单胞菌属(Pseudomonas),48 h对低碳源反硝化培养液脱氮率分别达81.27％、76...     

生物阴极微生物燃料电池中同步产电反硝化菌的分离鉴定与性能

利用反硝化筛选培养基从稳定运行的MFC-AA/O反应器阴极板上分离纯化反硝化细菌,经16S rRNA鉴定后,接种于双室MFC的阴极,测试其产电能力以筛选同步产电反硝化细菌,之后对MFC的运行温度和pH进行优化,最后通过扫描循环伏安曲线分析其产电机理。结果表明：分离获得的一株反硝化菌经鉴定为铜绿假单胞杆菌(Pseudomonas aeruginosa),该菌可实现同步产电脱氮,最高输出电压可达168 mV左右,其脱氮反应的最优pH为7.5,最适温度为30 ℃;在生物阴极起催化产电反硝化作用的可能是Pseudomonas aeruginosa的分泌物,其作为中介体,可从电极获得电子,完成硝酸盐的还原。上述结果说明,Pseudomonas aeruginosa作为接种MFC生物阴极的纯菌,可以实现同步产电反硝化,为反硝化生物阴极MFC的实际应用奠定基础。     

MFC强化同步短程硝化反硝化工艺的启动

微生物燃料电池(MFC)可在阴极实现反硝化、短程反硝化和同步硝化反硝化并产生电能,但在MFC阴极实现同步短程硝化反硝化的研究尚未见到报道。为了探讨MFC阴极同步短程硝化反硝化工艺的性能,将双室曝气阴极MFC与A/O脱氮工艺结合处理人工模拟低碳氮比废水。通过静置运行15 d使得MFC阴极室亚硝态氮得以积累,氨氧化菌得以富集。随即改为连续运行后第21天成功启动同步短程硝化反硝化MFC;阴极出水氨氮浓度为0.3 mg/L,亚硝态氮浓度为15.9 mg/L,硝态氮浓度为0.6 mg/L,亚硝化率达到95%以上,阴极电极自养反硝化去除率达到50%以上,COD去除率达到85%以上。结果表明,将MFC与同步短程硝化反硝化工艺结合,通过阴极室中氧气得电子获得高pH,可以强化同步短程硝化反硝化工艺,完成生物脱氮的同时回收电能,并具有减少外加碱度的优势。     

生物阴极式碳纸隔膜微生物燃料电池的反硝化和产电性能

为了探讨生物阴极式廉价隔膜微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)的基本性能,首先以生物反硝化作用为基础构建了生物阴极MFC,并进一步以涂布聚四氟乙烯(PTFE)的廉价碳纸代替昂贵的质子交换膜(PEM)构建碳纸隔膜生物阴极式MFC。研究结果显示,对于生物阴极式MFC,阴极室中最适宜反硝化细菌生长的NO-3-N浓度为99.2 mg/L,此时输出电压最高可达0.11 V,1 h内NO-3-N的去除率达到80.0%,COD去除率为62.8%;以涂PTFE的碳纸代替PEM的生物阴极式MFC与有PEM的MFC最高输出电压基本一致(均达到0.22 V,外阻500Ω),但碳纸隔膜MFC的产电更稳定。结果验证了廉价隔膜生物阴极式MFC的可行性,并为其应用于污水脱氮奠定基础。     

不同阳极微生物燃料电池产电性能的比较

微生物燃料电池在处理废水的同时可以产生电能,有希望同时解决废水再利用和能量再产生的问题。采用单室无膜空气阴极微生物燃料电池,处理模拟生活污水,探讨MFC处理模拟废水的效果。研究了以碳布(MFC1)、碳布负载碳纳米管(MFC2)、碳纳米管(MFC3)和泡沫镍(MFC4)作为4种不同的阳极材料,对MFC系统的启动、内阻和产电特性进行比较。结果表明,4种不同阳极MFC在水力停留时间24 h的条件下,对COD有很好的去除作用,其中MFC2的COD去除效率最大,为91.4%。在不影响MFC系统处理废水效果的前提下,实验得到4种阳极MFC系统中MFC2具有最小的内阻,为173.7Ω;并且其功率密度也大于其他3种MFC,达到401.2 mW/m2。     

厌氧流化床微生物燃料电池同步除碳脱氮产电性能影响因素

研究了厌氧流化床微生物燃料电池(AFB-MFC)除碳脱氮产电性能的影响因素。结果表明:(1)AFB-MFC对NH4+-N的去除不起作用。电压下降主要是由于进水有机基质浓度下降造成。(2)不添加NO3--N时,在满足AFB-MFC脱氮所需的电子供体条件下增加进水COD/TN有利于AFB-MFC产电。(3)3种无机氮共存下,AFB-MFC在进水有机碳与无机氮质量比(C/N)不低于1.37时,对COD、NO2--N和NO3--N具有理想的去除效果。AFB-MFB在一定进水C/N范围内(1.37～2.50),能得到稳定的输出电压及功率密度。(4)固定进水C/N时,AFB-MFC在高碳氮负荷下仍能得到较理想的NO2--N、NO3--N、COD去除效果,AFB-MFC对NH4+-N去除效果不明显;增加碳氮负荷,AFB-MFC输出电压及功率密度没有明显的改变。(5)有机基质浓度不变下,AFB-MFC中充足的电子供体可保证较高的NO3--N、COD去除率。AFB-MFC输出电压及功率密度随着时间延长而先增加至稳定值后下降。     

同步硝化反硝化好氧颗粒污泥微生物相和氮去除能力的研究

对颗粒污泥中的微生物菌群进行了分离和鉴定，并确定纯种微生物的脱氮能力。颗粒污泥中含假单胞菌属5株。亚硝化单胞菌属7株，硝化杆菌属4株，气单胞菌属3株，黄单胞菌属2株，孢杆菌属4株，黄色杆菌属2株和产碱菌属2株。这些菌属中包含了参与硝化反应的亚硝化单胞菌属和硝化杆菌属微生物，以及有好氧反硝化能力的Pseudomonas和Alcaligenes菌。29株微生物摇瓶混合培养的脱氮试验结果表明，30h内有机物去除率为75％，氮去除率近50％。     

外电阻对双阴极微生物燃料电池脱氮产电性能的影响

为提高双阴极MFC的脱氮产电性能,构建了双阴极微生物燃料电池系统,考察了连续进水状态下阳极与缺氧阴极间外阻(R_A-A)以及阳极与好氧阴极间外阻(R_A-O)的变化对系统脱氮产电性能的影响。结果表明：只增大一侧电阻会降低厌氧阳极的库仑效率和功率密度,但能提高系统的脱氮效果;当R_A-O由200 Ω增大到1 000 Ω时,TN去除率由43.81%提高到60.71%,当R_A-A由200 Ω增大到1 000 Ω时,TN去除率由38.88%提高到61.52%;当总外阻固定在1 000 Ω时,两侧电阻变化不影响阳极的功率密度和库仑效率,其分别保持在305.53 mW·m⁻³和0.35%左右;电阻组合(R_A-A /R_A-O)由500 Ω/500 Ω变化为100 Ω/900 Ω,TN去除率由62.32%提高到64.41%;系统的硝化效果随R_A-O的增大而增强,反硝化效果随R_A-A的减小而增强,总氮去除效果随总外阻的增大而提升。低R_A-A与高R_A-O的外阻组合能有效提高双阴极三室MFC的脱氮能力。增大总外阻,系统产电性能降低,阳极表面微生物膜氧化性不断减弱,总外阻不变,阳极表面氧化性变化不大。研究探明了外电阻变化对三室双阴极MFC脱氮产电性能的影响,为进一步提高MFC脱氮产电性能提供参考。     

回流式无膜生物阴极微生物燃料电池脱氮

为有效提高脱氮效率、降低MFC运行成本,设计了一种新构型回流式无PEM膜的生物阴极微生物燃料电池,处理生活污水,回收电能。研究了该系统的启动情况及稳定运行时的污水脱氮效果和产电性能。结果表明,系统稳定运行后,输出电压0.53 V,反应器内阻406.8Ω,最大功率密度201.9 mW/m3。连续进水、停留时间12 h、回流比为1及阴极连续曝气条件下,COD去除率85%以上,氨氮去除率93.94%,总氮去除率44.96%,总氮去除较作参比的A2/O系统提高8.17%。     

溶解氧和有机碳源对同步硝化反硝化的影响

利用SBR反应器,探讨了溶解氧(DO)和有机碳源(COD)对同步硝化好氧反硝化的影响.结果表明,DO范围在0.5～0.6 mg/L时最适合于同步硝化好氧反硝化脱氮.在同步硝化反硝化过程中出现了亚硝酸盐氮的积累,推断经由短程硝化反硝化途径.总氮的去除率随着COD/N(碳氮比)的增加而增加,当COD/N为10.05时,总氮去除率最高可达70.39%.继续增加碳氮比时,总氮去除率增加不多,并且还会导致硝化作用不完全.当存在足够的易降解有机碳源时,能发生完全的好氧反硝化作用.     

填充竹炭对微生物燃料电池性能的影响

微生物燃料电池(MFC)的阳极对提高MFC产电性能有至关重要的影响。利用竹炭比表面积大、吸附能力强等特性,将其作为"三合一"膜电极MFC的阳极填充材料,通过增大阳极比表面积来提高其产电能力。实验结果表明,加入竹炭至阳极室后,MFC最高输出电压(外接电阻1 000Ω时)由0.280V增大到0.387V,提高了38.2%,并且输出电压更加稳定;而最大功率密度也由原来的0.22W/m3增大到1.42W/m3,同时内阻降低了80.85%(由235Ω降为45Ω);库仑效率由15.0%增大到25.6%。说明MFC阳极室填充竹炭可以显著促进MFC的产电性能。     

反硝化聚磷过程影响因素及数学模型研究

反硝化聚磷过程是反硝化除磷工艺的核心过程。采用静态实验的方法研究了比污泥厌氧释磷量、污泥浓度、硝酸盐浓度几个重要参数对反硝化聚磷过程的影响,实验污泥来自实验室双泥系统。研究表明,比污泥厌氧释磷量对反硝化聚磷过程有显著影响,在电子受体充足的情况下,比污泥反硝化聚磷速率及聚磷潜能随比污泥厌氧释磷量的提高而增加,但比污泥厌氧...     

微生物燃料电池处理污染废水的研究进展

微生物燃料电池(MFC)在处理污染废水的同时还能产生电能,成为环境和能源领域的研究热点之一。结合典型MFC结构,分别介绍了阳极室、阴极室和中间室所具有的不同功能,比较分析了各个室去除污染物的基本原理和当前的研究进展,讨论了MFC应用于实际工程中存在的问题,展望并提出了未来MFC的发展目标及发展方向。     

高浓度氨氮废水同步硝化反硝化性能研究

利用序批式反应器研究了溶解氧浓度和进水碳氮比对高浓度氨氮废水脱氮性能的影响.结果表明,溶解氧浓度降低实现了短程同步硝化反硝化,并提高了反应器脱氮效率.反应器运行经历了外部碳源的摄取、PHB储存、PHB有氧氧化和同步硝化反硝化作用,PHB作为同步硝化反硝化过程中反硝化的电子供体.     

电极面积对无质子交换膜微生物燃料电池协同去污能力的影响

以间距是180μm的不锈钢网为电极,构建了单室型无质子交换膜微生物燃料电池(MFC)污水处理系统。分别驯化、培养厌氧消化菌和反硝化菌,厌氧消化菌在阳极附着成膜组成生物阳极氧化去除有机污染物,反硝化菌在阴极附着成膜组成生物阴极反硝化去除含氮污染物,研究了电极面积对污染物协同去除能力的影响。当电极面积为45 mm×100mm和45 mm×50 mm时,两系统的开路电压最大值分别为(182.8±6.2)mV和(161.8±5.4)mV,COD、NH4+-N和NO3--N最大去除率分别为96.5%、99.7%、99.7%和85.4%、92.2%、97.9%;出水中NO2--N的含量分别低于(0.072±0.006)mg/L和(0.084±0.008)mg/L。这表明电极面积大的系统具有较好的有机污染物和含氮污染物协同去除能力。     

up-BAF同步硝化反硝化工艺去除污染物的机理研究

阐述了同步硝化反硝化的原理,研究了上向流曝气生物滤池(up—BAF)同步硝化反硝化工艺对城市生活污水的处理效果及规律。研究结果表明,同步硝化反硝化工艺对COD、NH3-N的去除率随填料高度的增加而增加,最下层50cm厚滤料去除污染物的效果最好,该工艺脱氮效果不理想,TN去除率只有30％左右。当水力负荷在2．39m／h以下时,水力负荷对COD、NH3-N去除的影响较小。     

微电解耦合固相反硝化脱氮除磷效果及微生物分析

为提高低碳氮比污水中氮、磷的去除率,通过铁碳微电解耦合固相反硝化系统强化生物脱氮除磷的效果,分别考察了HRT、DO、pH对耦合系统中氮、磷去除效果的影响,并对铁碳颗粒(FC)、固体碳源颗粒(CC)和悬浮污泥(SS)的微生物群落结构进行了分析。结果表明：当进水C/N=1.5时,耦合系统的最佳运行参数为HRT=4 h、DO=2.0 mg·L−1、pH=7.0;此时${{\rm{NH}}_4^ + }$-N、${{\rm{NO}}_3^ - }$-N、TN、TP的去除率分别为95.63%、93.48%、94.72%、99.10%。高通量测序分析结果表明：在门水平上,3个样本(FC、CC、SS)中的优势菌门为Proteobacteria、Actinobacteria和Bacteroidetes,其中具有反硝化脱氮功能的Proteobacteria在FC、CC、SS中分别占样本总数的72.66%、67.43%、68.66%;在纲水平上,SS中Alphaproteobacteria的相对丰度显著高于FC和CC,FC中的Gammaproteobacteria的相对丰度显著高于CC和SS,CC中的Gemmatimonadetes相对丰度明显高于FC和SS,生物除磷主要发生在CC中;在属水平上,Gemmobacter在FC、CC、SS中的相对丰度分别为25.50%、23.64%、32.53%,对异养反硝化过程起到重要作用。以上结果有助于提高对微电解-自养/异养反硝化除磷耦合系统中微生物生态学的理解。