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摘 要

随着我国社会的进步和经济的增长，我国的能源需求量与消耗量也不断增长。研究新型可再生能源以成为当今社会的一大热点。本实验以混合原料厌氧发酵体系为研究对象，利用其发酵过程产生的废弃沼液为原料制成微生物燃料电池（microbial fuel cell, MFC），作为外加电源与厌氧发酵耦合。设计实验，在不同温度条件下，将外加电压体系、耦合体系与空白进行对照实验，通过分析厌氧发酵体系的产气量与甲烷含量的变化来评估不同条件对混合原料厌氧发酵体系的影响。实验结果表明，不同温度条件下，高温厌氧发酵体系产气量及产气速率较高；相同温度条件下，MFC与厌氧发酵耦合体系及外加电压体系较空白体系，产气量及产气速率都有所提高。并通过取样测定厌氧发酵体系中COD、氨氮及pH等相关参数，研究厌氧发酵体系的具体情况。

关键词：微生物燃料电池 沼气　厌氧发酵　混合原料 耦合发酵体系

Effect of coupling of MFC and anaerobic fermentation with mixed materials on methane production

Abstract

With the progress of our society and economic growth, China's energy demand and consumption are also growing. Research on new renewable energy sources become a hot spot in today's society. In this study, the anaerobic fermentation system was used as the research object, and the microbial fuel cell (MFC) was prepared by using the waste biogas slurry produced by the fermentation process as the raw material and coupled with the anaerobic fermentation. The influence of different conditions on the anaerobic fermentation system of mixed raw materials was evaluated by analyzing the change of gas production and methane content in anaerobic fermentation system under different temperature conditions. The experimental results show that the gas production rate and gas production rate of high temperature anaerobic fermentation system are higher under different temperature conditions. Under the same temperature condition, the coupling system of MFC and anaerobic fermentation and the applied voltage system are more than the blank system, gas production and gas production rate. Has improved. And the parameters of COD, ammonia nitrogen and pH in anaerobic fermentation system were determined by sampling to study the specific situation of anaerobic fermentation system.

Key words: Microbial fuel cell ;Biogas ;Anaerobic fermentation ;Mixed raw material ;Coupling fermentation system

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 研究背景 1

1.2 沼气厌氧发酵技术 2

1.2.1 沼气厌氧发酵的原理及途径 2

1.2.2 沼气的实际利用 3

1.3 国内外研究进展 3

1.3.1 国外研究进展 3

1.3.2 国内研究进展 4

1.4 微生物燃料电池 5

1.5 本文的研究内容及研究意义。 6

第二章 实验材料、仪器及方法 7

2.1 实验材料 7

2.1.1厌氧发酵材料 7

2.1.2 MFC材料 7

2.1.2 主要仪器 8

2.3 实验研究方法 9

2.3.1实验设计路线 9

2.3.2 MFC装置及电极驯化 9

2.3.3温度及外加电压影响厌氧发酵研究方法 10

2.3.4耦合厌氧发酵体系研究方法 10

2.4 实验数据测定方法 11

2.4.1 TS、VS的测定方法 11

2.4.2 COD的测定 12

2.4.2 氨氮的测定 13

2.4.3. pH的测定 14

第三章 实验结果及讨论 15

3.1 MFC电极驯化 15

3.1.1 单个MFC电极驯化 15

3.1.2 串联MFC电极驯化 19

3.2 温度及外加电对混合原料厌氧发酵产甲烷的影响 20

3.3 耦合体系发酵实验 22

3.3.1 耦合加电对混合原料厌氧发酵产沼气和产甲烷的影响。 22

3.3.2 耦合发酵体系COD、氨氮、pH变化情况 24

第四章 结论与展望 26

4.1 结论 26

4.2 展望 26

致谢 28

参考文献 29

第一章 文献综述

1.1 研究背景

能源是人类生存、社会进步和经济增长的物质支撑，是当今国际政治、军事、经济及外交讨论的重心。目前人类生存与生产活动所需的大部分能量都由石化燃料提供。随着当今社会经济和科技迅速发展，人类对能源的需求持续加大，对传统石化燃料的开采力度逐渐加强。而此等石化燃料是不可再生能源，按照目前的消费速度，预计在未来100多年后将耗竭。同时，石化燃料的利用严重威胁人类生存环境，不仅造成全球气候变暖，温室效应加剧，而且增加了不少如癌症等疾病的病发率。能源告急与自然环境破坏对全人类造成的影响越来越突出，探索与开发可再生能源成为保持人类社会可持续发展的社会共鸣。可再生能源是指原材料不会枯竭的能源，自然界中用之不竭的风、水、太阳光、潮汐、地热、生物质等都可作为原材料生产可再生能源。沼气作为一种生物质能具有安全、稳定和清洁等优点，从众多新型能源中脱颖而出。

我国是一个传统农业国，牲畜飞禽排泄物和农作副产物（如秸秆）是我国两大主要的生物质资源。农作副产物的年均产量可达8亿多吨，牲畜飞禽排泄物年均产量约20亿吨(湿重)，含量可观，普遍地区广泛，大多分布在农村地区。但并没有得到有效利用，大部分秸秆的处理方式要么废弃在田地里、要么焚烧，许多畜禽粪便未经处理就肆意排放，既造成环境污染又浪费资源。如果将蕴含如此丰富生物质能的废弃物合理利用，将会对改善生态环境和节约能源产生巨大的意义。 厌氧发酵工艺能将秸秆与畜禽粪转化为清洁能源——甲烷，是一种安全且经济的生物转化方式，此工艺能减少磷、氮、钾等副产物，因此能释放比较清洁的能源沼气。沼气的主要成分是CH₄和CO₂，其中45%-70%是CH₄，25%-55%是CO₂，大约有5%是O₂、H₂S、CO、H₂、N₂等气体，是于厌氧环境下，发酵微生物将废弃物的生物质降解产生的燃烧性气体。

1.2 沼气厌氧发酵技术

1.2.1 沼气厌氧发酵的原理及途径

厌氧发酵分为三个阶段：水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段。

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