榨菜廢水MFC長周期運行性能及微生物群落結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）是近幾年來備受關(guān)注的技術(shù)。在當(dāng)今社會，能源危機和環(huán)境污染問題在全球范圍內(nèi)日益加重，MFC可以以產(chǎn)電微生物為催化劑，利用簡單有機物或?qū)嶋H廢水中的復(fù)雜有機物為底物，實現(xiàn)有機物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。
　　榨菜生產(chǎn)在三峽庫區(qū)已有百年歷史，近年來，三峽庫區(qū)經(jīng)濟(jì)走上了高速發(fā)展的軌道，作為特色支柱性產(chǎn)業(yè)的榨菜加工業(yè)也得到大力扶持與迅猛發(fā)展，其生產(chǎn)規(guī)模越來越大。榨菜在生產(chǎn)過程中會

2、排放大量高鹽高濃度的加工廢水。現(xiàn)今，榨菜廢水主要采用厭氧技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，然后利用好氧技術(shù)進(jìn)一步處理，為達(dá)標(biāo)排放，通常會增加物化單元進(jìn)行強化處理。然而常規(guī)的好氧技術(shù)能耗和運行費用高，并且污泥產(chǎn)量大，污泥的后續(xù)治理費用也較高。由于榨菜廢水具有用作電池燃料適宜的水質(zhì)特征：豐富的有機物含量、良好的可生化性及適宜的鹽度。因此，將榨菜廢水處理與MFC相結(jié)合值得探討與研究。本文以高鹽高濃度榨菜廢水為MFC底物，構(gòu)建了經(jīng)典雙室MFC。對長期運行過程中M

3、FC的產(chǎn)電性能及污染物去除效果進(jìn)行了研究，運用掃描電鏡及16S rRNA基因測序技術(shù)對陽極和陰極生物膜結(jié)構(gòu)與優(yōu)勢菌種進(jìn)行了鑒定分析。此外，本文還考察了曝氣強度對生物陰極MFC產(chǎn)電性能及脫碳除氮的影響。主要結(jié)論如下：
　?、僭诙嘀芷冢?個周期）運行過程中高鹽高濃度榨菜廢水MFC可實現(xiàn)長期穩(wěn)定產(chǎn)電。在外接1000Ω電阻間歇運行條件下，電池運行至第5周期時產(chǎn)電性能達(dá)到最佳，最大功率密度、電池內(nèi)阻及開路電壓分別為：7.44W/m3、88?

4、、746mV，COD去除率及庫倫效率分別為：(65±2.5)%、(19.3±1)%。高鹽高濃度廢水MFC運行50天（4個周期）啟動完畢。啟動成功后污染物去除率隨運行時間的延長緩慢提高，運行至第8周期時COD去除率為(73±3.3)%；而庫倫效率則緩慢降低，最大庫倫效率為(19.3±1)%。陽極pH不斷下降，酸化程度加重。多周期運行過程中最大穩(wěn)定功率輸出對應(yīng)的外阻為500Ω左右，實驗過程中功率密度和極化曲線出現(xiàn)了回折現(xiàn)象。
　?、谠?/p>

5、外接500Ω電阻長周期（31個周期）運行過程中高鹽高濃度榨菜廢水MFC整個測試期間均有電能產(chǎn)生，且穩(wěn)定高效產(chǎn)電時間長達(dá)80天。在穩(wěn)定高效產(chǎn)電階段，最大功率密度、最小內(nèi)阻及最大開路電壓分別為：12.43W/m3、148Ω、756mV，最大COD去除率及庫倫效率分別為：(89±1.5)%、(36.7±1.2)%。高鹽高濃度榨菜廢水MFC運行32天啟動完畢。啟動成功后污染物去除率隨運行時間的延長而不斷提高，而庫倫效率不斷下降。陽極pH先下降后

6、升高，陽極出水最小pH為4.36±0.05。陽極出水pH的變化表明厭氧發(fā)酵與產(chǎn)甲烷過程是先后進(jìn)行的，在運行后期可通過抑制產(chǎn)甲烷過程提高M(jìn)FC的產(chǎn)電效率。
　?、墼谏镪帢OMFC中，當(dāng)曝氣強度為150 mL/min時，系統(tǒng)產(chǎn)電性能達(dá)到最佳，最大功率密度、內(nèi)阻及開路電壓分別為：0.803W/m3、651Ω、760mV。陰極氧還原受阻而產(chǎn)生的過電勢極大限制了系統(tǒng)的能量回收效率。陰極電解液中的COD和氨氮會降低系統(tǒng)輸出電壓。曝氣強度對CO

7、D去除影響較小。不同曝氣強度下，陰極與陽極COD去除率均大于89%。曝氣強度對脫氮效果影響較大，曝氣強度在100~150 mL/min時脫氮效果較好，總氮去除率最大可達(dá)80%；不同曝氣量下，氨氮去除率均大于94%；且不同曝氣強度下陰極硝態(tài)氮均出現(xiàn)累積現(xiàn)象。
　　④掃描電鏡及16S rRNA基因測序結(jié)果表明，長期運行過程后陽極生物膜的脫落可能是MFC產(chǎn)電效率下降的重要原因；納米導(dǎo)線是高鹽高濃度榨菜廢水MFC胞外電子傳遞的一種方式；生