高盐废水生物电化学系统产电及间歇放电产电特征研究

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生物电化学技术(Bioelectrochemical system,BES)是一种新颖的化学能转化电能技术,并可同步实现污、废水处理,及其他高附加值产品,为解决能源短缺及环境资源化治理提供新思路,但该技术仍处于基础理论探索时期。现阶段,BES产电性能较低,其中,常规污、废水为系统底物时,较低的离子强度是制约产电性能的主要因素。为此,通常添加NaCl或PBS来提高底物离子强度、导电性能,提升产电量。另一方面,榨菜加工是重庆三峡库区主要产业之一,生产过程中会排放高盐度废水,该类废水污染物成分复杂,生物处理技术效果有限,而物化工艺成本较高。为此,将构建微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC),分析电池产电、污染物降解性能,证实高盐榨菜废水用作电池底物的可行性;此外,为考察盐度对电化学活性菌产电性能影响,将构建三电极BES,采用电化学技术手段,系统完成研究;最后,以优势产电菌G.sulfurreducens为研究对象,探索提升BES产电性能的途径,进一步提高BES综合性能。  首先,初沉池出水与厌氧池出水按4种不同体积比(1∶9;3∶7;1∶1和1∶0)混合,依次用作电池阳极底物。结果表明:①电池的最大输出电压与初沉池出水比例呈显著的负相关性(P<0.01)。二者间的拟合方程为:y=-2.8251x+594.94(R2=0.9852);②电池内阻与初沉池出水比例呈显著的正相关性(P<0.01),二者之间的拟合方程为:y=5.4927x+78.095(R2=0.9961);③电池最大功率密度与初始COD浓度之间呈显著的负相关性(P<0.01),二者之间的拟合方程为:y=524.1162e(-x/5684847)+45.63203,R2=0.99202;④随着初沉池出水比例的增大,COD的去除量以及去除率不断提高;⑤16S rRNA测序表明Proteobacteria,Firmicutes,Bacteroidetes和Synergistetes为阳极优势电化学活性菌。由此可见,高盐榨菜废水适于用作MFC阳极底物,且随着初沉池出水比例增大,电池产电性能降低。这主要是因为初沉池出水虽然有机物含量虽高,但经厌氧阶段处理前,其构成成分复杂,大多为复杂的大分子有机物以及胶体颗粒物,而这类有机物不易被产电菌直接利用,产电菌活性随之降低,电子传递阻力增大,最终产电性能降低。此外,高有机物浓度有利于产甲烷菌生长,并相对占据优势,同时水解、发酵等非产电过程也降低了产电。  厌氧池出水用PBS(0mM,30mM,50mM)调节后用作MFC阴极底物,结果表明:①电池电压变化趋势一致,最终能达到的稳定电压在同一水平;②电池开路电压和内阻分别为483mV和413Ω(S1);487mV和394Ω(S2)以及487mV和369Ω(S3);③电池最高功率密度分别为1.20W/m3(S1),1.24W/m3(S2)和1.32W/m3;④阴极单元可实现同步硝化反硝化除氮,且在电压回稳阶段主要为异养反硝化,而在稳定阶段生物电化学过程除氮量有所提高。⑤16S rRNA测序表明Proteobacteria,Bacteroidetes和Planctomycetes为阴极优势电化学活性菌。由此可见,榨菜废水可直接用作MFC阴极底物,并具有pH自调节功能,实现同步有机物、氮素的去除。  为考察盐度对电化学活性生物膜的影响,构建三电极BES,考察6种盐度(0mM,100mM,200mM,342mM,400mM,500mM,600mM)对系统产电性能影响,结果表明:①盐度对BES产电量影响显著,二者呈负相关变化趋势(p<0.05),且平均产电量与盐度之间的拟合方程为:y=-0.0071x+7.6257,R2=0.8927;②由循环伏安曲线及其一阶导数可知,G.sulfurreducens是BES生物膜的一种优势产电菌,低盐度(0-200mM)不会抑制其产电性能及电子传递;③混合产电生物膜中还存在其他优势产电菌落,低盐度(0-200mM)对其产电性能抑制明显;④相对溶液电阻及生物膜电阻,界面电阻较大,是系统总电阻的主要构成部分,是较高盐度下BES产电下降的主要因素;⑤分析系统恒相位元件及电容可知,电容性随盐度的增大而下降,对系统的产电产生一定的影响;⑥随盐度增大,出水乙酸盐浓度先降低,之后逐渐升高;降解速率则先增大,后下降;而库伦效率则随盐度的增大逐渐下降,最后趋于稳定。  对三电极盐度实验中出现的优势产电菌G.sulfurreducens,采用间歇放电/连续放电组合模式(Alternately intermittent and continuous polarization,AICP)提升电子系统产电量。结果表明:①间歇放电与连续放电模式均可提升产电量(相对基准电流),最高可达:48.7±2.9%(间歇,G0.5)和22.2±4.0%(持续,G0.5),且同组AICP实验中,间歇模式可产生更高的电流;②通过EIS分析,系统生物膜电阻不断增大,但间歇模式下生物膜电阻小于持续模式下生物膜电阻,这是间歇放电模式产电较高原因之一;③间歇放电模式与持续放电模式下的界面电阻均不断降低,且在后三个实验组中(G2,G1和G0.5),间歇模式下界面电阻小于持续放电模式界面电阻;④在AICP全程实验中,生物膜电容保持稳定;间歇放电可逐渐提高界面电容,而持续放电模式下界面电容保持不变,这也是间歇模式产生较大电流的原因;⑤持续放电模式可以获得较高的乙酸盐降解速率和库伦效率。总之,间歇放电模式有助于获得较高的产电量,而持续放电模式有助于获得较高的污染物降解和库伦效率。
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