论文总字数：19842字

摘 要

处理不同类型有机废水的MFC阳极生物膜微生物群落结构分析

本文选取了垃圾渗滤液、沼液、酒精发酵废液三种类型的有机废水组建微生物燃料电池（Microbial fuel cell），以这些传统有机废水作为阳极液，进行MFC的长期驯化工作，比较其不同的产电性能。同时以高通量测序技术研究MFC运行过程中阳极生物膜的微生物组成的变化，探讨产电过程中不同的动态变化。结果表明：垃圾渗滤液组、沼液组、酒精发酵废液组在驯化后的最高电压达到到分别为0.569V、0.617V、0.610V；MFC阳极有机废水COD去除率分别为90.99%、74.12%、49.05%，TN去除率分别为85.05%、68.96%、61.83%，NH₃ -N去除率分别为78.37%、73.52%、55.17%。实验对三种有机废水的处理都有较好的效果，说明了MFC对不同类型有机废水的处理均显示出较好适用性，应用范围广泛。利用高通量测序技术发现，随着时间推移，三组MFC阳极微生物种类变化不大。阳极生物膜群落门水平80%以上为Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes，属水平主要为Geobacter。根据功能分类来看，阳极生物膜群落主要构成为产电菌，同时含有产酸菌、其他类降解菌群和功能性菌群。废水的性质差异影响了阳极生物膜群落功能菌群的相对丰度差异。

关键词微生物燃料电池阳极生物膜有机废水产电

ABSTRACT

Analysis of Microbial Community Structure of MFC Anode Biofilms Treating Different Types of Organic Wastewater

In this paper, three types of organic wastewater, ie landfill leachate, biogas slurry, and alcoholic fermentation waste liquid, were selected to constitute a microbial fuel cell. These traditional organic wastewaters were used as anolyte to perform the long-term domestication of MFC and compare its different Electricity production performance. At the same time, the high-throughput sequencing technology was used to study the changes of microbial composition of anode biofilm during the operation of MFC, and to explore the different dynamic changes in the production process. The results showed that the highest voltages of the landfill leachate group, the biogas slurry group, and the alcoholic fermentation waste solution reached 0.569 V, 0.617 V, and 0.610 V, respectively; the COD removal rates of the MFC anode wastewater were 90.99% and 74.12%, respectively. The removal rate of TN was 85.05%, 68.96%, and 61.83%, respectively, and the removal rate of NH3 -N was 78.37%, 73.52%, and 55.17%, respectively. The experiment has a good effect on the treatment of three kinds of organic waste water, which shows that MFC shows good applicability to different types of organic waste water treatment and has a wide range of applications. Using high-throughput sequencing technology, the anodic microbial species of the three groups of MFCs did not change significantly over time. More than 80% of the anode biofilm community gate levels are Proteobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, and the genera are mainly Geobacter. According to the functional classification, the anode biofilm community is mainly composed of electrotrophic bacteria, and it also contains acid-producing bacteria, other degrading bacteria and functional bacteria. The difference in the nature of the wastewater affects the relative abundance of functional flora in the anode biofilm community.

Key words Microbial fuel cell；Anode biofilm；Organic wastewater；Electricity generatio

目 录

摘要 i

ABSTRACT i

目 录 I

第一章 文献综述 1

1.1 有机废水积攒的环境压力 1

1.2 传统有机废水的处理方法 1

1.3 新思路——微生物燃料电池 2

1.4研究技术路线 3

1.5研究目的与期望 4

第二章 三种有机废水MFC产电和降解能力的研究 5

2.1 引言 5

2.2 实验材料与方法 5

2.2.1 实验试剂和仪器 5

2.2.2实验材料 6

2.2.3 有机废水预处理及初始性质 6

2.2.4实验过程电化学参数测定 7

2.2.5有机废水理化性质的测定方法 7

2.2.6总氮TN标准曲线 8

2.2.7阳极生物膜的驯化 9

2.2.8 MFC处理有机废水 9

2.2.9电化学参数测定时间 9

2.3 结果与讨论 9

2.3.1 生物膜驯化 9

2.3.2MFC启动后的电化学参数测定 15

2.3.3 MFC启动后的降解性能测定 20

2.4 本章小结 24

第三章 MFC阳极生物膜群落分析 25

3.1 引言 25

3.2 材料与方法 25

3.2.1 实验仪器与试剂 25

3.2.2实验方法 25

3.3 结果与讨论 27

3.3.1 生物多样性 27

3.3.2 门水平群落组成 28

3.3.3 属水平群落组成 29

3.3.4 废水间群落结构的对比 30

3.4 本章小结 31

第四章 结论和展望 32

4.1 结论 32

4.2 展望 32

参考文献 34

第一章 文献综述

1.1 有机废水积攒的环境压力

快速发展所带来的环境问题是每个国家崛起历程中所必然要面对的，切乎民生的用水安全尤为重要。工业生产连接着国家经济的命脉，从而不可避免产生许多工业废水；农业是国之基础，产生了大量秸秆等废弃物，现阶段最好的处理办法是沼气发酵，但同时也带来了沼液、沼渣。这些工农业废水有机物含量较多^[1]，若随意排放，大大增加了水体自净的压力。当自净过程的化学氧化分解和微生物生物化学氧化分解速率不足以应对大量废水的流入时，水体便陷入污染不断加剧的恶性循环^[2]。我国冠以“世界工厂”之名，同时人口众多，农业废弃物以及生活污水产量巨大，各类秸秆垃圾焚烧填埋后的浸出液和食品发酵废液COD含量较高成分复杂^[3]，带来的污染效应严重制约着发展。

1.2 传统有机废水的处理方法

物理吸附法是利用流体分子与固体表面分子间的范德华力吸附净水，如常用的活性炭吸附^[4]，此外还有根据有机物带电差异的静电吸附^[5]。然而此类吸附方法随着装置运行时间增加，吸附物的积累，吸附效果会降低，易发生堵塞，并且需要定时清理，设备维护繁琐处理有机废水能力有限。化学氧化法具有代表性的Fenton氧化技术通过Fe² 催化过氧化氢产生·OH，其可以氧化降解多种有机物。通过对传统技术的限速步骤Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）循环过程的研究^[6]，Fenton氧化法也将变得更加实用快捷。然而其pH在3左右的适应范围小，对过氧化氢利用不高并需要较多试剂参与，催化用Fe（Ⅱ）的二次污染等问题^[7]并没有在本质上得到解决。因此应运而生了电-Fenton、光-Fenton和其他联用技术的衍生技术。微生物法是通过对有机废水中污染物等进行生物吸附氧化分解的作用达到处理有机废水目的。活性污泥法利用好氧菌在有氧条件下分解有机物以代谢生长繁殖，一并增加活性污泥的量；生物膜利用微生物的附着，依靠其更大的比表面积可以提高处理废水效率；UASB反应器无需曝气，是一类成本更低的厌氧法代表。刘国华等处理针对焦化废水含COD和NH₃ -N较高的情况，采用一种高效微生物 A/O工艺治理后通过了环保部门验收且稳定运行2年以上^[8]。

1.3 新思路——微生物燃料电池

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell）是一种新型燃料电池，它不使用化学燃料，而是利用废水中的有机物。当然，装置本身并不能直接利用有机废水，需要通过产电微生物的生长代谢，达到降解和产电的目的。常用的MFC双室结构如下图，阳极室内微生物厌氧分解消耗有机物，产生的质子通过质子交换膜转移到阴极室，电子则经过负载到达阴极电极，完成电子传递过程。双室MFC的参比电极可以同时在阴极室和阳极室分别设置，有利于对装置不同部分的研究^[9]。

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