微生物燃料电池共代谢降解氰化物及产电性能研究

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废水中低浓度氰化物的物化处理存在成本高,出水不达标,易造成二次污染等问题,微生物共代谢降解低浓度氰化物是目前研究的主要方向。微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)是一种新兴的废水处理同步能源回收技术,具有清洁高效,可实现能源回收以及污泥少等优点。本研究利用微生物燃料电池来对废水中的氰化物进行共代谢降解并产电,针对氰化物的毒性抑制生物降解和产电,从产电菌的驯化富集以及阳极材料的优化两个方面来提高MFC的降氰产电性能,并研究了运行参数对MFC降氰产电性能的影响。采用梯度驯化和稀释分离法获得了具有降氰功能的产电菌液,该菌液可降解浓度为50mg/L的氰化物,电阻为510Ω2时,MFC的最高输出电压为438mV,5.37W/m3,库伦效率为36.8%,氰化物的去除率可达99.82%。对该菌液中的菌进行了筛选分离,筛选出了10株具有降氰产电功能的菌株,这些菌株与富集的产电菌液相比,二者的降氰性能相当,但单菌株的产电效果较差。为了能够达到更好的产电效果和降氰效果,将电子介体固定在电极上,制备了一种PCF/PPY/CNTs/AQDS复合电极。复合电极作为MFC的阳极,MFC的启动时间(196h),缩短1/3;功率密度(9.27W/m3)提高近1倍。复合电极能够强化电子的传递效率,增强废水中氰化物的降解速率和电极表面的生物多样性。阳极电极表面的微生物多样性要远高于阳极悬浮液,氰化物驯化后阳极生物多样性减少,而复合阳极可提高阳极生物膜的群落多样性,其中变形菌纲占据着阳极生物膜的主要生态位。阳极液pH为8.2,醋酸钠浓度为1.0g/L,氰化物的浓度为80mg/L,外阻为510Ω时,MFC的功率密度可达10.86W/m3,氰化物的去除率在35h内可达99.98%以上。微生物燃料电池中氰化物的降解遵循表观一级反应动力学。建立了Andrews抑制动力学模型,得到氰化物的最大比降解速率(Vm)为4.21h-1,饱和系数(KS)为42.02mg/L,抑制系数(Ki)为114.42mg/L。上述结果表明利用微生物燃料电池共代谢降解低浓度的氰化物同时产电可行的,经处理后的氰化物达到了污水一级排放标准,为将来微生物燃料电池技术用于实际含氰废水的处理提供了理论基础。
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