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微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)能够有效处理污水同时实现产能,近年来广受关注。本课题结合MFC研究现状,以提高MFC电能输出和污水处理能力为目标,研究了反应器构型、阴极室溶解氧、外加磁场对MFC脱氮除磷和产电性能的影响,并对氨氮燃料MFC产电性能和氨氮抑制作用做了研究,最后用MFC结合微波法处理实际污水——垃圾渗滤液。主要成果如下:单室MFC和双室MFC都有脱氮除磷效果,但去除效率和机理均不同。单室MFC中总磷(Total phosphorus,TP)和总氮(Total nitrogen,TN)去除率分别为43.9%和53.8%,且主要是以在阴极表面形成针状磷酸铵镁晶体的形式被去除的。双室MFC阳极室对TP和TN去除不明显,其阴极表面也没有形成磷酸铵镁晶体。双室MFC阴极室中TP去除率达到了94%,是化学沉降和微生物吸收共同作用的结果,阴极室中形成的化学沉淀物是磷酸化合物、碳酸化合物和羟基化合物等物质的混合物。双室MFC中大部分的NH4+-N都在阴极室中被氧化成了NO2--N,但TN去除量较少。单室MFC和双室MFC中化学需氧量(Chemical oxygen demand,COD)去除率分别为66%和79%。单室MFC和双室MFC的最大输出电压、最大面积功率密度、内阻、库伦效率分别为443和524 m V、560和528 m W/m2、181和227Ω、35%和51%。阴极室溶解氧是MFC产电和污水处理的重要影响因素。阴极室溶解氧由3.5 mg/L下降至2.0 mg/L时,MFC最大输出电压、库伦效率、最大面积功率密度分别由521 m V、52.48%、530 m W/m2下降至303 m V、23.09%、178 m W/m2。4种阴极室溶解氧条件下MFC中TP去除率均>85%,其中约80%是被化学沉降作用去除的,约4%-17%是被微生物吸收作用去除的。当阴极室溶解氧浓度为3.5和2.8 mg/L,TN去除率很低,大部分NH4+-N都在阴极室被氧化成了NO2--N;当阴极室溶解氧浓度为2.5和2.0 mg/L,TN去除率>85%。COD去除率受阴极室溶解氧影响较小,阳极室中COD的去除率>70%,阴极室中COD的去除率<5%。4种阴极室溶解氧条件下MFC阴极室中生成的化学沉淀物是磷酸化合物、碳酸化合物和羟基化合物的混合物。给MFC外加低强度的稳恒磁场会提高其产电性能和污水处理能力。当MFC外加50 m T的磁场时,MFC的最大输出电压、TP去除率、COD去除率分别由523±2 m V、~93%、~80%上升至553±2 m V、~96%、>90%,同时启动时间和库伦效率分别由16 d和~50%下降至10 d和~43%。外加磁场对TN去除无明显促进作用,但磁场MFC中NH4+-N转化率更高,硝化反应也进行的更彻底。MFC的启动速度和输出电压受磁场方向影响较小。磁场对MFC产电及污水处理效果的影响是快速、可逆、不可持续的。如将外加磁场突然从MFC撤离,会对MFC产电及COD去除起反作用,但对氮磷去除及氮的转化没有反作用。氨氮可作为MFC的间接电子供体,但不能作为直接电子供体。当MFC中无有机碳源时,以NH4Cl、KNO2、KNO3、KNO2和Na NO3、NH4Cl和Na NO3为氮源,MFC均无电压输出,且MFC中氮元素的量和形态都无明显变化。以NH4Cl(20 m M)和KNO2(10 m M)混合物为氮源时,MFC有少量电压输出,且最大输出电压随着KNO2浓度的增加由18.1 m V上升至32.5 m V,出水中NH4+-N和NO2--N浓度大幅度降低,并含有一定量的NO3--N。证实了MFC中厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)反应的发生,MFC产电是厌氧氨氧化菌(ANAMMOX bacteria,An AOB)和一些异养产电菌协同完成的,NH4+-N是产电过程中的间接电子供体。另外,MFC电压输出滞后ANAMMOX反应一段时间,进一步表明NH4+-N是MFC间接电子供体。NH4+-N扩散和NH3挥发是MFC中NH4+-N损耗的重要途径,相比无电压输出MFC,有电压输出MFC中扩散和挥发等作用消耗的NH4+-N量更多。在一定浓度范围内,提高氨氮浓度有助于增加MFC电压输出、最大功率密度和COD去除率。当氨氮浓度大于100 m M时,MFC中微生物活性受到严重抑制,MFC产电性能和污水处理效果显著下降。当氨氮浓度为50 m M时,MFC输出电压和COD去除率分别达到最大值555 m V和82%。当氨氮浓度为100 m M时,MFC最大功率密度达到最大值602 m W/m2。随着微波辐照时间的延长和功率的增大,垃圾渗滤液的p H、五日生化需氧量(Five days biochemical oxygen demand,BOD5)、BOD5/COD逐渐增大,垃圾渗滤液的可生化性能逐渐增强,电导率、COD、NH4+-N值逐渐减小。选择BOD5/COD>0.3经微波法前处理后的垃圾渗滤液为MFC燃料,MFC的启动速度加快了,输出电压和最大面积功率密度增大了,内阻增大了,库伦效率降低了,脱氮除碳效果明显增强。垃圾渗滤液的BOD5/COD值越高MFC产电性能不一定会更好,MFC的产电性能还与电导率等其它因素有关。垃圾渗滤液微波处理前后,MFC中TP去除效果差别不大。较优微波前处理条件为微波功率210 W辐照15 min和微波功率350 W辐照5min。