论文部分内容阅读
微生物燃料电池(MFC)是一种利用附着在阳极电极表面微生物的代谢过程,将蕴含在有机物中的化学能转化成电能的装置。由于其可在处理废水的同时产生电能,已成为环境科学与工程领域的一个重要研究方向。剩余活性污泥主要由悬浮的污泥絮体构成,而絮体是由大量的分散微生物细菌通过胞外聚合物(EPS)、阳离子和其他细颗粒架桥而组成,其中有机物占污泥总量的60%以上。这些均可作为MFC的潜在基质。采用剩余污泥为燃料,通过MFC技术实现在污泥厌氧消化处理的同时实现电能回收,将成为一种新颖的剩余污泥处理技术。剩余污泥中有机物大部分为细胞物质,产电微生物要利用这些物质,首先必须进行破胞,将胞内物质释放出来,使之转化为溶解性物质。而对于MFC体系内的污泥水解过程和产电规律的关系目前未有研究,同时污泥强化水解作用和产电特性的关系仍有待探讨。据此,本研究采用城市污水处理厂剩余污泥作为燃料,结合污泥水解方法(厌氧水解、微波强化水解和外加酶强化水解)和MFC技术进行产电特性和污泥减量化研究。剩余污泥为燃料MFC (SMFC)获得了成功的启动。SMFC最大功率输出为294.5mW/m2,内阻为247.85Ω,库仑效率(CE)为4.7%。经处理后,污泥中TCOD去除率为26.2%,TSS去除率为24.7%,VSS去除率为32.5%。随着氯化钠投加量的增加,SMFC内阻逐步降低,功率密度则逐步增加。当污泥稀释比增加时,SMFC内阻降低,但功率密度为先上升后下降,功率密度输出下降主要是由于稀释比例过大,导致基质浓度过低,影响了阳极微生物的生长。搅拌有利于改善SMFC内物质的传递,从而增加功率输出。温度对SMFC的产电特性影响较明显,但在一定区间内(如20℃和25℃；30℃和40℃；45℃和50℃)变化不明显,说明产电微生物有一定的温度适应范围,这也可能是在不同温度下产电微生物也不同导致。污泥中的微生物竞争作用是影响SMFC产电效率的主要因素。SMFC运行过程中阴极氧向溶液中的传递并没有对功率输出产生明显影响,主要是由于系统中非产电微生物的作用和阳极附着物的保护作用。研究表明,SMFC中污泥厌氧消化主要控制在水解阶段。SMFC内阻组成主要由阳极电阻、阴极电阻和电解液电阻组成。微波强化剩余污泥为燃料MFC (MSMFC)电压输出先上升后缓慢下降,产电周期为666h。MSMFC最大功率输出为343.41mW/m2,内阻为146.80Ω。微波时间和微波功率的延长均促进了污泥中SCOD增加,MSMFC功率密度随着微波时间的延长而增加,但随着微波功率的增加先增加后下降。CE随着微波时间或微波功率的增加而减小。在微波时间为300s,功率为720W,微波对污泥的破解能力最强(SCOD为1194mg/L),产生的功率密度最大(163.33mW/m2),且其CE居中(76.7%)。MSMFC系统内阳极表面微生物和电解液微生物均以球状细菌为主。MSMFC中阳极内阻占主要部分,其次为阴极内阻,电解液电阻最小。MSMFC内微量的溶解氧水平将有利于有机物的分解(发酵分解和好氧氧化),抑制产甲烷化过程,提高功率密度和CE。研究外加酶强化污水为燃料MFC (ESMFC)产电特性时,外加酶(蛋白酶、淀粉酶)的投加促进了污泥水解,提高了MFC产电特性,投加蛋白酶、淀粉酶时ESMFC能量密度增加分别在52%、8%以上。而在酶投加10mg/g的情况下,相对于参照组ESMFC最大功率密度输出增加最大,投加蛋白酶、淀粉酶时分别增加174%、36%。运行温度对ESMFC产电性能的提高也较明显,但相对于酶的促进作用来说,40℃时投加淀粉酶和蛋白酶对ESMFC功率密度输出的促进作用最为明显,投加蛋白酶、淀粉酶时分别增加174%、66%。在外加酶强化作用下,污泥水解效果明显,TCOD去除率均在60%以上,VSS去除率在70%以上,处理后的污泥中VSS/TSS值均明显降低。当蛋白酶：淀粉酶比例为2：3时,ESMFC最大功率密度输出最大,为775.21mW/m2,CE也最大,为10.58%。在研究三种不同处理方式污泥为燃料MFC产电特性对比分析时发现,ESMFC产电周期最长,为41d,功率密度最大,为775.21mW/m2。 MSMFC库仑效率最大,为84.6%。SMFC中TCOD去除率为26.2%,VSS去除率为32.5%,采用污泥预处理手段有利于促进污泥的减量化,MSMFC中TCOD去除率增加到58.5%,VSS去除率增加到73.9%;MSMFC中TCOD去除率增加到63.2%,VSS去除率增加到77.1%。ESMFC能源效率最高,MSMFC次之,SMFC最小。