摘 要

随着社会环保意识的不断加强，废水排放标准逐步提高，加之全球能源不足问题的日益严重，迫切需要一种既能净化废水同时又能产生能量的水处理工艺。MFC是一种利用微生物的代谢作用将蕴藏在污废水中化学能转化成电能的装置，可同步实现污染物的去除与产电,具有非常大的应用价值。

试验采用脱氮除硫MFC，阳极处理含S^2-的模拟人工废水，阴极处理含NO₃^-的模拟人工废水，研究不同阴极电势情况下的产电性能、污染物去除效果和阳极室硫积累情况。主要研究效果如下：

（1）采用间歇式培养，在阳极进水浓度160mgS/L阴极进水浓度30mgN/L的情况下，除硫反硝化MFC在七天内恢复启动成功。

（2）随着除硫反硝化MFC的阴极电势增加，产电性能先增强后减弱，且同一阴极电势下，生物阳极MFC产电性能均高于非生物阳极MFC。

（3）MFC阴极反硝化作用随着阴极电势增加而先增强后减弱，过低或过高的阴极电势都会导致硝氮去除效果降低，并且过高还会引起亚硝氮积累量升高。

（4）MFC阳极电势随着阴极电势增加而增加，而阳极电势增加会先增加硫单质转化率，阳极电势到一定值后继续提高会导致硫单质被进一步氧化为硫酸盐。

关键词：微生物燃料电池，除硫，反硝化，阴极电势

Abstract

With the continual development of social Environmental awareness，wastewater discharge standard is gradually improving.And serious challenges of energy crisis is getting worse.so We urgently need the water treatment process that cleans waste water while generating energy.MFC is a kind of device that transduces chemical energy hidden in the waste water into electrical energy by microbial metabolic effect,and it，which can achieve the removal of pollutants and power，has very important application value.

Using synthetic wastewater containing S²- as anode influent and NO₃^-—N as cathode influent,the electricity generation,pollutant removal and sulfur accumulation under different cathode potential was investigated in a desulfurization-denitrification MFC.The main conclusions are as follows:

(1)The desulfurization-denitrification MFC with intermittent feeding mode was recovered successfully in 7 days as influent S^2- concentration was 160mgS/L and influent NO³- comcentration was 30mgN/L.

(2)With the increasement of the desulfurization-denitrification MFC cathodic potential,the ability of power production enhanced and then weakened.And the production of bio-anode MFC is higher than that of non-biological anode MFC under the same cathode potential.

(3)With the increasement of the desulfurization-denitrification MFC cathodic potential,the ability of denitrification enhanced and then weakened.The cathodic potential is too low or high to achieve denitrogenate greatly.And too high cathodic potential makes the nitriteconcentration increase.

(4)the increasement of the desulfurization-denitrification MFC cathodic potential makes the desulfurization-denitrification MFC anode potential increase.while anode potential increases,the sulfur grade increases and then reduces.And too high anode potential transduces sulfur into sulfate.

Keywords：microbial fuel cell，sulfide removal，denitrification，cathode potential

目 录

第一章 绪论 1

1.1 微生物燃料电池的工作原理及影响因素 1

1.1.1 微生物燃料电池的发展背景与特点 1

1.1.2 微生物燃料电池的工作原理 1

1.1.3 微生燃料电池强化污染物降解的机理 2

1.1.4 微生物燃料电池产电性能的影响因素 3

1.2 MFC阴极的研究进展 4

1.2.1 非生物阴极MFC 4

1.2.2 生物阴极MFC 5

1.2.3 生物阴极MFC产电性能及污水净化的影响因素 5

1.3 课题的研究意义及内容 6

1.3.1 课题的研究意义 6

1.3.2 课题的研究内容 6

第二章 脱氮除硫MFC的恢复启动 8

2.1 材料与方法 8

2.1.1 MFC试验设置 8

2.1.2 模拟废水 8

2.1.3 试验方案 9

2.1.4 测试与分析方法 9

2.2 结果与讨论 12

2.2.1 恢复阶段的产电变化 12

2.2.2 恢复稳定后污染物处理效果 13

2.3 本章小结 15

第三章 阴极电势对硫转化与反硝化的影响 16

3.1 材料与方法 16

3.1.1 恒电位试验装置 16

3.1.2 接种污泥与模拟废水 17

3.1.3 试验方案 17

3.1.4 测试与分析方法 18

3.2 结果与讨论 18

3.2.1 不同阴极电势对产电性能的影响 18

3.2.2 不同阴极电势对污染物去除的影响 20

3.2.3 阴极电势对硫沉积效果的影响 23

3.3 本章小结 25

第四章 结论与建议 26

4.1 结论 26

4.2 建议 26

参考文献 28

致谢 31

第一章 绪论

1.1 微生物燃料电池的工作原理及影响因素

1.1.1 微生物燃料电池的发展背景与特点

目前人类社会要实现可持续发展存在两个关键性问题：如何解决日趋严重的环境污染问题和获取新的能源。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，简称MFC）是近年迅速发展起来的一种融合了污水处理和生物产电的新技术，它对于上述两个问题可以一起解决：MFC能够在处理污水的同时，将污染物的化学能转化为电能^[1]。与其他燃料电池相比，MFC具有以下特点：（1）对底物没有特殊要求，可以直接利用污染物；（2）反应较为彻底，产物稳定性高，不会污染环境，且直接转化化学能为电能，使得能源损耗率低；（3）运行环境较为温和，使得运行成本较低，工作环境较为安全。因此MFC已经成为寻求解决环境污染问题，探索新能源研究者的关注热点。

1.1.2 微生物燃料电池的工作原理

MFC是借助阴阳极电极表面催化剂促使污染物中的化学能转化为电能的装置，其由阴极室，阳极室和两室之间的质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)组成的^[2]。以本试验中反硝化除硫MFC为例．其阴阳极化学反应式如下：

阳极：