低温环境下微生物燃料电池处理地下水中硝酸盐污染的研究环境工程专业毕业论文.docx

1、低温环境下微生物燃料电池处理地下水中硝酸盐污染的研究环境工程专业毕业论文低温环境下微生物燃料电池处理地下水中硝酸盐污染的研究-环境工程专业毕业论文万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据从图412可以看出，COD浓度变化的整体趋势随着时间的推移是逐渐降低的， 第一天COD

2、浓度均得到了较好的去除，从孔1到出水口，COD浓度分别为3823、 3151、5173、2591、293。6、1272和1561 mgL，去除率分别为617、685、483、741、706、873和844，去除率普遍大于50。第二天到第三天， 除了出水口的COD浓度下降之外，孔1到孔6的出水COD浓度均有不同程度的 上升，孔4在第三天的出水COD达到了10901 mgL，高于进水COD浓度。在第四天各个孔的COD浓度均迅速下降，在周期结束后，各个孔的出水COD浓度分别为3142、1089、2875、1809、1565、792和1665 mgL，除了孔1的COD 浓度较高之外，其余孔的COD浓度

3、均得到了较好的去除。图413为不同硝酸盐浓度下COD的变化曲线，从图中可以看出，硝酸盐浓 度为300 mgL的COD变化曲线位于硝酸盐浓度为100 mgL的曲线下方，对硝酸 盐的去除效果在周期前三天内是有一定优势的，在第三天时，硝酸盐浓度为300mgL和100 mgL的两组出水COD分别为2024 mgL和4251 mgL。在周期结束 之后，两组出水的COD浓度分别为1575 mgL和1665 mgL，没有明显的差异。4322不同硝酸盐浓度条件下MFC对硝酸盐的去除单式大体积MFC反应器对硝酸盐的去除效果除了受COD浓度的影响，初始 进水的硝酸盐浓度同样对反应器去除硝酸盐的效率产生影响，本实验

4、选取COD浓 度为1000 mgL，硝酸盐浓度分别为100 mgL和300 mgL，进行对比试验，探究 硝酸盐初始浓度对反应器去除硝酸盐的影响。-I口)Efn oZT(h)图414硝酸盐浓度为300 mgL各出水孔N03。变化曲线Fig4-1 4 N03。curve for the various water hole at the 300 mgL nitrate 39万方数据24 48 72 96 120T，(h)图415硝酸盐浓度为300 mgL各出水孑L N02。变化曲线Fig41 5 N02。curve for the various water hole at the 300 mgL

5、 nitrate24 48 72 96 1 20T，(h)图416硝酸盐浓度为300 mgL各出水孔NH4+变化曲线Fig4-1 6 NH4+curve for the various water hole at the 300 mgL nitrate万方数据图414到416分别为进水COD为1000 mgL，硝酸盐浓度为300 mgL条件下，在一个完整周期内各个出水口的N03。、N02。和NH4+浓度变化曲线。从图414可以看出，在周期的第一天，各个出水孔检测到的NOs浓度几乎一 致，孔1到孔6以及出水口的N03。浓度分别为1515、1367、1102、1349、1319、 1017和947

6、 mgL。在第二天和第三天，各个孔的出水NOs浓度均有不同程度的上升，考虑到空气的进入产生的硝化作用，这种情况是可以理解的。在第三天直到周期结束，N03浓度逐渐下降，到周期结束的时候，各个孔的出水N03。浓度分 别为1603、11 17、1308、951、1434、866和424 mgL，与周期的第一天结束 时各个孔的出水水质进行对比，发现除了4号孔，6号孔和溢流槽出水口的N03 浓度明显下降，其余孔的水质没有发生明显变化，最终溢流槽出水口的NOs浓度 为424 mgL。从图415和图516中可以看出，N02和NH4+浓度均得到了很好的控制，N02。 浓度在周期的第三天有一定的积累，溢流槽出水

7、口的N02浓度为31 mgL，其余 孔1到孔6的浓度均大于出水口的N02。浓度。最终在周期结束时，各个孔的N02 浓度均得到了很好的去除，没有大量的积累，孔1到出水口的N02。浓度分别为12、 33、11、22、26、19和19 mgL。NH4+浓度在周期内的变化没有规律所寻，各 个孔的出水NH4+浓度均在100 mgL以下，在周期的第四天，各个孔的NH4+浓度均有明显下降，除孑L 1的NH4+浓度达到998 mgL，其余孔的NH4+浓度均小于50 mgL。周期结束时，孔1到出水口的NH4+浓度分别为60、65、68、49、52、57和41 mgL，均大于国家饮用水标准中的NH4+浓度指标。T

8、，(h)图417不同硝酸盐浓度硝酸盐变化曲线Fig4-1 7 nitrate CHI Ve for different nitrate concentrations in water holes 41万方数据图417时将进水COD浓度为1000 mgL，N03浓度分别为100 mgL和300 mgL的溢流槽出水口N03浓度单独拿出来进行对比的曲线变化。从图中可以看出， 进水N03浓度分别为1 00 mgL和300 mgL的N03-变化曲线在趋势上是一致的。 第一天出水中检测到的N03。浓度表明进水N03。在反应器内均得到较好的处理，进水N03。浓度为100 mgL的第一天出水水质和周期结束后的

9、出水水质相差不大。在 周期的第二天和第三天，出水的N03。浓度均有所上升，进水N03浓度为300 mgL 的一组在第三天时的出水N03。浓度竟然达到了2513 mgL，进水N03。浓度为100mgL的一组N03浓度上升不明显，为227 mgL。周期结束时，进水N03浓度为 300 mgL的一组出水N03浓度为424 mgL，N03去除率为859，进水N03。浓度 为100 mgL的一组出水N03。浓度为53 mgL，N03。去除率为947，可见此单式 大体积MFC反应器对处理高浓度硝酸盐污水时的效率有所下降。4323不同硝酸盐浓度条件下的产电性能在研究了单室大体积微生物燃料电池对N03的降解效

10、果之后，现在对微生物 燃料电池的产电性能进行研究，其在处理两种浓度的N03。时的极化曲线和功率密 度曲线如图418。图418不同硝酸盐浓度下单室MFC的极化曲线和功率密度曲线Fig4-1 8 Different concentrations of nitrate single room MFCpolarization curves and power density curve42万方数据从图418可以看出，当N03浓度为100 mgL时，最大功率密度为438 mWm， 相应的电流密度为1355 mAITI2，而N03浓度为300时，最大功率密度仅为474 mWm2，相应的电流密度为l 176

11、 mAm-2，这表明当进水N03浓度为300 mgL 时，微生物燃料电池的产电性能更好。但是结合对N03。的降解效果来看，当N03。 浓度为100 mgL时，单室大体积微生物燃料电池处理地下水污染的效果更好。44温度对MFC原位修复地下水硝酸盐的影响第二阶段的实验在11月到次年1月进行，此时处于冬季，平均室温为510C， 在这样的温度环境下，MFC的整体性能下降明显，温度对MFC的影响很大，主 要影响来源于温度限制了微生物的活性，使得微生物代谢速度下降，处理效能降 低。我国地下水平均温度为5IO。C，南方地区高一些，北方有些地区低于5。C，在 这样的温度环境下，MFC对污水的处理效果较差，本实

12、验选择投加一类冷冻保护 剂甜菜碱，探究投加甜菜碱对单式大体积MFC处理低温污水的影响。441温度对MFC去除硝酸盐的影响为了验证投加甜菜碱对MFC效能的影响，首先设计对比实验，对比在室温为 30。C(夏季)和10(2(冬季)条件下，单式大体积MFC对硝酸盐的去除情况。两 组实验的进水COD浓度均为1000 mgL，硝酸盐浓度为100 mgL。实验期间测 试COD、N03、N02。和NH4+的浓度。实验结果见表41、图419、420、421、422。表41不同温度条件下单室MFC内各项污染物去除结果Tab41 At different temperatures within a single r

13、oom MFC contaminant removal result43万方数据Jo)E￥oo o24 48 72 96 120T(h)图419不同温度下MFC内COD变化曲线Fig4-1 9 COD curves at different temperatures in the MFC24 48 72 96 120T，(h)图420不同温度下MFC内N03变化曲线Fig420 N03。curves at different temperatures in the MFC44万方数据-1o)E“oZ24 48 72 96 120T(h)图421不同温度下MFC内N02变化曲线Fig4-2 1

14、N02。curves at different temperatures in the MFC24 48 72 96 120T(h)图4-22不同温度下MFC内NH4+变化曲线Fig4-22 NH4+curves at different temperatures in the MFC45万方数据从表41和图419可以看出，当温度为30。C时，单式大体积MFC周期结束 时出水COD为1575 mgL，COD去除率为843；而温度为10时，MFC出水 COD为4265 mgL，COD去除率为574。温度从30下降到10时，COD去 除率下降了269，可见温度对单式大体积MFC去除COD的影响很大

15、。从表41和图420可以看出，当温度为30。C时，单式大体积MFC周期结束 时出水N03浓度为53 mgL，N03去除率为947；而温度为10时，MFC出水 N03浓度为386 mgL，COD去除率为614。温度从30下降到10时，N03。去除率下降了333，可见温度对单式大体积MFC去除N03。的影响很大。从表41和图421、422可以看出，当温度为30。C时，单式大体积MFC周期 结束时出水N02浓度为07 mgL，N14_4+浓度为30 mgL；当温度为10C时，MFC 出水N02浓度为22 mgL，NH4+浓度为60 mgL，在反应周期结束时，N02。和NH4+ 浓度均得到了较好的控制

16、，没有出现N02和NH4+浓度过大的现象，但是温度的差 异还是对N02。和NH4+浓度产生了一定的影响。综上所述，温度对单式大体积MFC处理COD和N03的效能影响很大，在一 定范围内，温度越低，处理效能越低，低至一定程度，微生物燃料电池失去产电 和去污能力。442低温环境下投加甜菜碱对MFC去除硝酸盐的影响4421投加甜菜碱对MFC去除硝酸盐效果的影响在低温环境下，单式大体积MFC对硝酸盐的去除效果受温度影响很大，在第 二章实验的基础上，将投加甜菜碱这一方法应用到单式大体积MFC反应器上，探 究投加甜菜碱对单式大体积MFC处理地下水硝酸盐效能的影响。由于第二章实验 中所用的反应器为封闭的没有

17、流动的小体积反应器，因此对单式大体积MFC投加 的甜菜碱的量和作用需要进一步验证。实验结果见表42和图423、图424、图425和图426。万方数据表4-2不同甜菜碱投加量条件下MFC内各项污染物的去除结果Tab42 At different Betaine dosage within a single room MFC contaminant removal result甜菜碱 进水 出水 COD 进水 出水 N03 出水 出水COD COD N03。 N03 N02。 NH4+投加量(mgL)(mgL)去除率(mgL)(mgL)去除率(mgL)(mgL)0 mmolL 1000 4268

18、573 100 386 614 22 6001 mmolL 1000 2486 751 100 135 865 13 3910 mmolL 1000 2762 724 100 179 82O09 4810 mmolL 1000 5 144 486 100 354 646 32 74J口)EoooT(h) 图423不同甜菜碱投加量条件下MFC内COD变化曲线Fig423 COD curves of different dosage of Glycinebetaine degradation in MFC47万方数据-Io)E竹o Z24 48 72 96 120T(h)图424不同甜菜碱投加量条

19、件下MFC内N03。变化曲线Fig424 N03cUrVes of different dosage of Glycinebetaine degradation in MFC_J。)E￥。N o Z24 48 72 96 120T(h)图425不同甜菜碱投加量条件下MFC内N02。变化曲线Fig425 N02。curves of different dosage of Glycinebetaine degradation in MFC48万方数据图426不同甜菜碱投加量条件下MFC内NH4+变化曲线Fig426 NH4+curves of different dosage of Glycine

20、betaine degradation in MFC从表42和图423可以看出，当在进水中不投加甜菜碱时，周期结束时单式 大体积MFC出水COD为4268 mgL，COD去除率为573；进水中投加了01 mmolL甜菜碱时，出水COD为2486 mgL，COD去除率为751；进水中投加了10 mmolL甜菜碱时，出水COD为2762 mgL，COD去除率为724；进水中投加了10 mmolL甜菜碱时，出水COD为5144 mgL，COD去除率为486。 可以看出，当甜菜碱的投加量为01 mmolL时，出水的COD去除率最高，达到了 751，比不添加甜菜碱的COD去除率高178。从表42和图42

21、4可以看出，当在进水中不投加甜菜碱时，周期结束时单式 大体积MFC出水N03。浓度为386 mgL，N03。去除率为614；进水中投加了01 mmolL甜菜碱时，出水NO：浓度为135 mgL，N03去除率为866；进水中投 加了10 mmolL甜菜碱时，出水N03。浓度为179 mgL，N03去除率为821；进 水中投加了10 mmolL甜菜碱时，出水N03。浓度为354 mgL，N03。去除率为646。可以看出，当甜菜碱的投加量为01 mmolL时，出水的N03去除率最高，达到了865，比不添加甜菜碱的N03去除率高251。 从表42和图425、426可以看出，当在进水中不投加甜菜碱时，单

22、式大体积MFC周期结束时出水N02。浓度为22 mgL，NH4+浓度为60 mgL；当进水中投 加了01 mmolL甜菜碱时，MFC出水N02。浓度为13 mgL，NH4+浓度为39 mgL 当进水中投加了10 mmolL甜菜碱时，MFC出水N02。浓度为09 mgL，NH4+浓度 为48 mgL；当进水中投加了10 mmolL甜菜碱时，MFC出水N02浓度为32 mgL，49万方数据NH4+浓度为74 mgL。在反应周期结束时，N02。和NH4+浓度基本得到了较好的控 制，除了投加10 mmolL甜菜碱时，出水NH4+浓度达到了74 mgL，其余没有出现 N02。和NH4十浓度过大的现象。综

23、上所述，投加了甜菜碱的实验组，单式大体积MFC对于COD和N03-去除 效果得到了一定的提升，当甜菜碱的投加量为01mmolL时，COD去除率和N03。 去除率分别上升了178和251，单式大体积MFC处理硝酸盐废水的能力得到 了较好的提升。4422甜菜碱的最佳投加量甜菜碱作为一种冷冻保护剂，可以维持微生物在低温下的活性。它的存在一 方面可以阻碍蛋白质在低温下的诱导聚合，一方面可以维持细胞膜的流动性，低 温环境主要影响细胞膜的流动性，减弱细胞膜的渗透能力，导致细胞对营养物质 的吸收减弱，从而影响了微生物的活性。投加甜菜碱时为了增大细胞膜的活性， 因此一定存在某一浓度可以很好的调节细胞膜的流动性

24、，过高或过低都会降低活 性。在前一阶段实验的基础上，可以初步判断在进水中甜菜碱的最佳投药量为01 mmolL10 mmolL之间，现在通过接下来的实验确定进水中甜菜碱的最佳投药 量。实验选取5个甜菜碱浓度进行平行对比试验，投加的甜菜碱浓度分别控制在 01 5 mmolL、03 mmolL、045 mmolL、06 mmolL、075 mmolL。反应器运行 温度为10左右。实验结果如下表43所示。表43不同甜菜碱投加量条件下MFC内各项污染物的去除结果Tab43 At different Betaine dosage within a single room MFC contaminant r

25、emoval result50万方数据从表43中可以看出，当甜菜碱的投加量为06 mmolL时，与没有投加甜菜 碱的相对比，COD去除率上升了201，N03去除率上升了268，因此甜菜碱 的最佳投加量为06 mmolL。45低温环境下甜菜碱的作用机理上述实验结果表明，在低温环境下投加甜菜碱可以在一定程度上缓解微生物 燃料电池效率低得问题，使得在地下水低温环境下应用微生物燃料电池处理硝酸 盐污染成为了可能。在微生物燃料电池中投加甜菜碱，作用单位是微生物燃料电 池中的微生物。在低温环境下，微生物细胞内外渗透压失去平衡，活性降低，甜 菜碱是一种良好的渗透调节剂，微生物经过一段时间的驯化，吸收了甜菜碱

26、作为 调节其渗透压的物质6：】。甜菜碱能提高生物体细胞抗干旱、高湿、高盐和高渗环 境的耐受力，稳定酶活性及生物大分子功能，防止细胞水分流失及盐类的进入，提高 细胞膜Na+K+泵功能等，以调节细胞渗透压和离子平衡【49】。同时部分微生物体内有 合成甜菜碱的基因，在微生物处于低温环境时，微生物内部会产生甜菜碱，经检 测，当微生物处于低温环境时，体内会大量积累甜菜碱【50】。但是细胞自身生产的 甜菜碱数量有限，当细胞处于低温等不良环境时，需要补充一定量的甜菜碱66】。 甜菜碱作为一种无毒无害的物质，在动物、植物以及细菌和微生物体内的代谢具 有相当的稳定性，在代谢过程中不会产生其他有害物质。现在学者认

27、为甜菜碱可 以作用于低温环境下微生物的主要机理是甜菜碱在调节渗透压方面的作用。46本章小结(1)基于在单室大体积微生物燃料电池反应器上研究地下水原位修复硝酸盐 污染，本章选择了影响微生物燃料电池性能的两个参数进行研究，分别是进水COD 浓度和硝酸盐浓度，得到了大量的数据，数据表明在模拟地下水原位修复硝酸盐 的过程中，微生物燃料电池表现出的对COD和硝酸盐的降解效果较好。(2)在研究结果中得到了该微生物燃料电池运行的最佳参数。综合上述实验 结果，该单室大体积微生物燃料电池反应器的最佳运行参数为：COD浓度为1000mgL，硝酸盐浓度为100 mgL。在此最佳运行参数条件下的微生物燃料电池去污 产

28、电能力为：最终的溢流槽出水151 COD浓度仅为1575 mgL，COD降解效率达到 了843，COD去除效果良好；出水口的N03浓度为53 mgL，出水口的N02 和NH4+浓度分别为07 mgL和30 mgL，硝酸盐的去除效果很好，亚硝酸盐和氨 氮也没有产生一定的积累，整个系统脱氮效果良好；反应器在周期运行内产电性 能良好，最大功率密度为438 mWm，相应的电流密度为1355 mA-m-2，说明该 反应器在脱氮和产电性能上都取得了较好的效果。5l万方数据(3)针对低温环境下微生物燃料电池性能不好的现象，选择甜菜碱作为冷冻 保护剂，通过实验验证甜菜碱在低温环境下对微生物燃料电池性能的提升效果。 结果表明：当温度为30。C时，单式大体积MFC周期结束时出水COD为1575 mgL， COD去除率为843；而温度为10时，MFC出水COD为4265 mgL，COD去 除率为574，验证了温度对单室大体积MFC的去污能力影响很大；进水中投加 了01 mmolL甜菜碱时， COD去除率为751， N03去除率为866，MFC 出水N02浓度为13 mgL，NH4+浓度为39 mgL；进水中投加了10 mmolL甜菜 碱时，COD去除率为724，N03去除率为821，MFC出水N02一浓度为09 mgL， NH4+浓度为48 mgL，可见再投加了一定浓度的甜菜碱之后，MFC