剩余污泥为燃料的微生物燃料电池研究

论文摘要

我国污泥中的有机物质含量约为50%～70%,碳水化合物含量较高,属于高碳水化合物低脂肪类型,污泥中同时含有丰富的N、P、K等营养元素及微生物所需的各种微量元素Ca、Mg、Cu、Zn、Fe等。随着现代城市和工业的发展,污泥的产量急剧的增加,面临污泥处理过程中所遇到的难处理、投资高等问题,如果将污泥中的有机物质加以利用,不但能减小污泥的处理费用,同时还可能产生一部分经济利益。目前人们正在积极地寻找各种新技术、新方法解决污泥资源化的问题,例如利用污泥产生氢气等尝试.随着能源的日益紧张,微生物燃料电池技术的发展速度也越来越快。微生物燃料电池是一种新型的生物反应器,它是一种在电化学技术的基础上发展起来的以微生物为催化剂将储存在有机物中的化学能转变成为电能的装置。本文正是在此前提下提出了利用微生物燃料电池这项新技术,将污泥中的有机物质转变为电能,以期为污泥资源化的发展提出一条崭新的思路,希望利用该项技术能将污泥变废为宝,达到产生良好的经济效益和社会效益的目的.本文以污泥作为燃料,以单室无膜燃料电池为反应器,利用污泥中的土著微生物,在不加入任何其他化学物质的条件下经过20天成功地启动了微生物燃料电池。证明了仅仅利用污泥中的物质电池能够成功启动。并且研究了成功启动后微生物燃料电池以污泥作为燃料的产电特性以及产电过程中体系中固相和液相物质的周期性的变化规律。通过实验得出,微生物燃料电池产生的最大电压为495mV（外电阻为1000Ω）,最大功率密度达到44mW·m-2,稳定期间内阻约为300?.在1个运行周期中,污泥SS和VSS的去除率分别为27.3%和28.7%,pH值的变化范围为6.5～8,COD的起始浓度为617mg·L-1,浓度随时间的增加而增大并稳定在1150mg·L-1左右,随后逐渐下降,糖的起始浓度为47mg·L-1,逐渐增大到60mg·L-1之后浓度逐渐下降.为了进一步提高产电电压和功率密度,本文对试验中的影响因素和内阻做了研究。结果表明:MFC受到括温度,电极材料,运行时间,阳极面积的大小多因素的影响。其中MFC的产电性能在适当温度范围内随温度的增加而变高,选用生物亲和性好的电极材料对电能的输出有显著的提升作用,MFC随着运行时间的增加产电能力的输出逐渐地下降,增大阳极面积不一定能够提高MFC的输出功率。内阻随时间的变化出现先减小后增大的趋势;电阻随着阴阳极距离的增大而显著变大;由于污泥成分的稳定性和复杂性以及投加盐类物质的种类等原因,试验中并未发现微生物燃料电池的内阻随盐度的变化而有显著的变化规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 微生物燃料电池在电池中的地位
• 1.2 微生物燃料电池的发展简史
• 1.3 微生物燃料电池的分类
• 1.3.1 异养型、光能异养型和沉积物型
• 1.3.2 有介体 MFC 和无介体 MFC
• 1.3.3 单槽，双槽，上流式MFC
• 1.4 微生物燃料电池的影响因素
• 1.4.1 影响微生物燃料电池性能的关键因素
• 1.4.2 影响无介体微生物电池电量产生的参数
• 1.5 国内外研究进展
• 1.5.1 国内研究进展
• 1.5.2 国外研究进展
• 1.6 微生物燃料电池的发展发方向
• 1.7 污泥的性质及利用现状
• 1.8 问题与展望
• 第2章 实验方案和内容
• 2.1 实验内容
• 2.2 测定方法
• 2.2.1 污泥的来源
• 2.2.2 实验仪器与设备
• 2.2.3 实验装置
• 2.2.4 电压以及相关物理量的测定
• 2.2.5 COD、糖、蛋白质、VFA 的的测定
• 2.2.6 SS 和VSS 的测定
• 第3章 剩余污泥为燃料电池的微生物燃料电池的产电特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 微生物燃料电池的启动
• 3.3 微生物燃料电池的产电特性
• 3.3.1 利用污泥发电的电压变化规律
• 3.3.2 极化曲线
• 3.3.3 讨论
• 3.4 污泥前后成分变化分析
• 3.4.1 液相物质的变化分析（糖、蛋白质、COD、VFA）
• 3.4.2 固相物质的变化分析（污泥粒径、SS、VSS、TCOD）
• 3.4.3 讨论
• 3.5 结论
• 第4章 影响因素的研究
• 4.1 前言
• 4.2 阳极面积对功率密度的影响
• 4.3 温度对产电性质的影响
• 4.4 阳极材料对产电的影响
• 4.5 结论
• 第5章 微生物燃料电池内阻的研究
• 5.1 前言
• 5.2 内阻虽时间的变化规律
• 5.3 内阻随位置的变化情况
• 5.4 内阻盐度变化规律
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录