内置电极载体的复合型厌氧工艺效能及电极材料优化
文献类型：学位论文
| 作者 | 崔 丹 |
| 答辩日期 | 2017-07 |
| 文献子类 | 博士后 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 庄绪亮 ; 王爱杰 |
| 关键词 | 复合型厌氧 电极载体 偶氮染料 流态 石墨烯 Hybrid Anaerobic Process Electrode Module Azo Dye Hydrodynamics Graphene |
| 学位专业 | 环境科学与工程 |
| 其他题名 | Performance and electrode material optimization of hybrid anaerobic process built-in with electrode carrier |
| 英文摘要 | 厌氧生物法以其成本低、效率高和环境友好性的特点，在废水处理中占有举 足轻重和不可替代的地位，但厌氧生物工艺处理速度慢的弊端一直是限制其应用 的关键所在。为了加速厌氧生物反应并强化厌氧工艺的效能，在传统的厌氧工艺 中引入生物电化学系统（ BESs），构建内置电极载体的复合型厌氧工艺装置 （HAR），通过定向的电位调控和电极微生物催化作用，可以实现梯级强化水中 难降解污染物厌氧去除的目的。本研究围绕“内置电极载体的复合型厌氧工艺装 置”规模化应用过程中的关键问题：工艺构型、流态特征和电极材料优化，开发 了新型复合型厌氧工艺，并对其效能、微生物群落分布及流态特征进行分析，深 入理解和评价电极载体的作用；并建立了石墨烯修饰碳纤维电极的方法，以期减 小电极载体的阻抗，解决电极模块放大后电压降大和能耗损失大的问题。 首先，为了考察放大规模的复合型厌氧工艺的效能，并获得有效可行的模块 构型，本研究构建了 30L 规模的内置套筒型电极载体的复合型厌氧装置 HAR， 用其处理含偶氮染料废水，HAR 对废水的处理效能表现出快速高效的特点，相 比传统厌氧工艺 AR，HAR的启动速度更快，当 HRT缩短到 4h，进水染料负荷 为 800g AYR/ m3•d时，对偶氮染料的去除效率依然高达 93.8±6.7%，比 AR提高了 10%，电极载体对偶氮染料的去除起到了强化作用。 其次，为了探究电极载体和电场引入后，装置中的微生物群落结构特征，采 用 16S rRNA方法对 HAR中不同位置的微生物群落进行分析，结果表明电极载 体的引入和套筒型的设计，使装置中不同位置的微生物群落结构产生明显差异， 污泥区以发酵菌为主，包括 Desulfobulbus 和 Kosmotoga，它们与水解酸化过程 直接相关，使水中有机物水解酸化为小分子酸；电极载体区以电活性微生物为主， 包括 Syntrophus 和 Geobacter，它们具有电子传递功能，并兼具偶氮及硝基还原 作用，这证明了在电极载体区可以有效发生偶氮染料的转化过程；同时，电极载 体的存在，也使系统内的氢分压增大，利于嗜氢产甲烷菌的富集，促进了挥发酸 的转化，使 COD的去除率提高。 再次，为了考察电极模块对装置水力流态的影响，通过水力停留时间分布实 验（RTD）和计算流体力学模拟（CFD）考察复合型厌氧工艺 HAR的流态特征， 结果表明电极载体填充反应装置上部空间，起到了再次布水的作用，电极载体的 存在有效改善了装置流态，减少了短流、沟流、拖尾等现象，延长了实际水力停 留时间，并使污泥体积分数提高，促进了传质，装置流态更趋近平推流，符合扩 散模型。 最后，为了减小电极材料的阻抗并降低电极成本，对碳纤维电极进行改性， 建立了一步电沉积石墨烯修饰碳纤维的方法，可以快速有效的将氧化石墨烯还原 为石墨烯，并同步将石墨烯修饰在碳纤维电极表面，构建 rGO/碳刷电极。相比 于传统碳纤维刷电极， rGO/碳刷电极的电化学活性大大提高，电荷传递阻力由 325.5 Ω减小到 63.07 Ω，电极表现出双电层电容效应，电活性面积增大了 3倍。 将其用于生物电化学系统 BES 中作为阴极，使装置的启动速度加快了 4 倍，缩 短为 48h，峰值电流由 0.2mA提高到 0.6mA，对偶氮染料的去除效率在 6h即可 达到 97%以上，并对偶氮染料的去除速率提高了 50%。同时，rGO/碳刷电极的 引入，使双极室生物电化学装置的阴极室部分阻抗显著减小，进而使装置的能耗 损失减小，大大降低了工艺成本。 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/38610]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_中国科学院环境生物技术重点实验室 |
| 作者单位 | 中国科学院生态环境研究中心 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 崔 丹. 内置电极载体的复合型厌氧工艺效能及电极材料优化[D]. 北京. 中国科学院大学. 2017. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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