三室微生物燃料电池回收老龄垃圾渗滤液氮素及产电的优化研究

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老龄垃圾渗滤液存在大量氨氮(NH3-N)资源,但因为其色度大,难降解有机物与有毒有害物质含量高,使得氨氮回收难度大且需要消耗大量成本,因此开发低成本高效率氨氮回收技术是实现老龄垃圾渗滤液资源化的重要一环。本研究利用三室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)实现老龄垃圾渗滤液氨氮回收与稳定产电,分析了不同外接电阻、回收室Na2SO4浓度、阳极室基质碳氮比(C/N比)对三室MFC中合成废水氨氮回收与产电性能的影响以及各因素影响氨氮跨膜运输的规律;研究了回收室原位鸟粪石结晶对三室MFC氨氮回收与稳定产电的影响;探寻了三室MFC实现老龄垃圾渗滤液氨氮回收时,微生物对于各腔室氮素转化的作用机理。主要研究内容与结果如下:(1)通过单因素优化实验,考察外接电阻、回收室Na2SO4浓度、阳极室基质C/N比等因素对三室MFC中合成废水氨氮回收的影响规律。在三室MFC中,阳极室用于产电与有机物降解,中间室用于氨氮回收又称为回收室,阴极室用于形成闭合电流。以氨氮回收率为考察指标,得到最佳反应条件为外接电阻200Ω、阳极C/N比2:1、回收室Na2SO4浓度13 g/L,反应时间30 h时可实现最大氨氮回收量为195.1 mg/L,回收率为55.7%。较小的外接电阻有利于提高氨氮去除速率,外接电阻为35Ω时较外接电阻为200Ω时氨氮去除速率提高9.2%,但高电流导致阳极室p H降至5.61,不利于产电菌的生长,并且促使硝化反应加强,造成回收室氨氮的损失量增大30.2%。回收室Na2SO4浓度由4 g/L增加到16 g/L,三室MFC的欧姆电阻减小52.2Ω,输出电压增大38.7 m V,氨氮回收率提高23.7%;但Na2SO4浓度的增加会形成反向扩散电流,抑制氨氮的正向迁移。阳极室基质C/N比为2:1时氨氮回收率最高,为55.5%,增加C/N比可延长电压平台期,但回收室氨氮损失量增加。(2)考察通过回收室原位鸟粪石结晶提高三室MFC氨氮回收效率的可行性。结果表明,原位结晶可将阳极氨氮去除率从68.9%提高到75.2%,回收室氨氮回收率从55.7%提高到62.5%。但原位鸟粪石结晶会对MFC下一周期的氨氮回收性能产生不利影响,原位结晶三室MFC(表示为MFC-crystal)第二个回收周期的氨氮回收率下降至41.0%。由于MFC-crystal回收室离子交换膜上的鸟粪石沉淀会阻塞膜上通道,使阴极传质电阻与阳极生物膜电阻分别增大154.8%与46.0%。与控制组相比,阳极上主要产电菌Acinetobacter与Bacteroides丰度降低,导致MFC阳极电子产生速率下降,最大功率密度与电流密度也相应降低。(3)研究三室MFC对老龄垃圾渗滤液的氨氮回收与产电性能,并揭示各腔室内微生物对于氮素转化的作用机理。结果表明,与处理合成废水的实验组(记作MFC-SW)相比,处理实际渗滤液的实验组(记作MFC-LL-Na Ac)氨氮回收率从55.8%下降至51.5%,阳极室氨氮的去除率从68.9%下降至64.9%。主要原因是MFC-LL-Na Ac阳极碳毡上的主要产电菌Acinetobacter的丰度从69.4%下降至41.5%,使得三室MFC输出电压由160 m V降至130 m V,导致因电流驱动的氨氮迁移总量下降;但由于具有较高耐受性且可以降解难降解有机物的菌种丰度提高,如Pleomorphomonadaceae、Petrimonas和Pseudomonas,使得三室MFC表现出稳定的氨氮回收与产电性能。MFC-LL-Na Ac阳离子交换膜上主要微生物为反硝化细菌如Thiobacillus、Dechlorosoma,并且与MFC-SW相比出现了新的反硝化菌种Alicycliphilus,因此阳极室硝态氮与亚硝态氮的浓度始终低于3 mg/L。阴离子交换膜上的Pseudofulvimonas是用于催化氧还原的电活性好氧微生物,在MFC-LL-Na Ac组含量从11.9%降低至1.9%,说明渗滤液会抑制阴极的氧还原作用。在硫还原菌Desulfomonile的作用下,SO42–被转化为还原态硫,参与阴离子交换膜上硫自养反硝化菌Stappia的脱氮过程,有效实现阴极氮的去除。
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