雙圓筒曝氣陰極微生物燃料電池處理豬場(chǎng)廢水研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, MFC)是一種新型的能源工藝,能夠在處理廢水的同時(shí)產(chǎn)生電能。豬場(chǎng)廢水中含有高濃度的有機(jī)廢物,是MFC理想的基質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了雙圓筒曝氣陰極MFC系統(tǒng),以實(shí)驗(yàn)室某一長(zhǎng)期運(yùn)行的雙室MFC系統(tǒng)顆粒污泥進(jìn)行接種,考察了其產(chǎn)電效果及底物降解特性,研究了負(fù)載電阻、溫度和pH對(duì)產(chǎn)電及COD降解效率的影響,最后以實(shí)際豬場(chǎng)廢水為底物,研究其產(chǎn)電及對(duì)豬場(chǎng)廢水的處理效果。
　　以模擬廢水為底物,

2、經(jīng)過4個(gè)產(chǎn)電周期(約800h)后,即可完成MFC的啟動(dòng),產(chǎn)電菌已經(jīng)得到富集馴化。取接種前后陽(yáng)極電極進(jìn)行掃描電鏡(SEM),未接種石墨棒表面凹凸不平,孔隙率大,適合用作電極材料,接種后陽(yáng)極電極表面微生物主要以球菌為主,菌與菌之間連有細(xì)絲,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),該MFC系統(tǒng)陽(yáng)極電子傳遞的最有可能的途徑是通過“納米導(dǎo)線”直接傳導(dǎo)。
　　啟動(dòng)成功后,繼續(xù)運(yùn)行兩個(gè)周期,得出了兩個(gè)重現(xiàn)性很好的輸出電壓曲線,經(jīng)過170h的產(chǎn)電,COD從2924mg/L

3、下降到432mg/L,去除率為85％。最后得出最大輸出功率為0.92W/m2,表觀內(nèi)阻為29.7Ω,開路電壓為783mV。測(cè)量一個(gè)周期中陽(yáng)極、陰極電極電勢(shì)的變化,陰極電極電勢(shì)維持一個(gè)比較穩(wěn)定的水平,陽(yáng)極電極電勢(shì)從-420mV升高到+258mV。
　　選取500Ω、400Ω、300Ω、200Ω、100Ω、75Ω、50Ω電阻分別運(yùn)行一個(gè)周期,結(jié)果表明,負(fù)載電阻阻值越大,輸出電壓越高,產(chǎn)電時(shí)間越長(zhǎng),負(fù)載電阻越小,庫(kù)倫效率越高,COD降解

4、速率越快。在50Ω時(shí)有很好的庫(kù)倫效率,但是未出現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)電平臺(tái),通過綜合考察各項(xiàng)性能參數(shù),表明電阻在100Ω~500Ω時(shí),MFC有較好的性能。
　　設(shè)定35℃、30℃、25℃、20℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明30℃時(shí)輸出電壓較高,產(chǎn)電平臺(tái)達(dá)170h,庫(kù)倫效率也最高,為29.3%。說明產(chǎn)電菌在30℃時(shí)產(chǎn)電效果最佳。
　　可以用 Monod方程來模擬輸出電壓隨負(fù)載電阻的變化趨勢(shì),擬合曲線為U=779.3R/(29.1+R),相關(guān)系性為0

5、.995。電流隨電阻變化曲線可以用ExpDec1進(jìn)行擬合,擬合曲線為I=1.32+18.6*e(-R/70.9),相關(guān)性為0.981。
　　產(chǎn)電微生物的最適pH范圍為7.69-8.18,pH過高或過低都會(huì)影響微生物的性能,當(dāng)pH低于5.98時(shí),微生物產(chǎn)電功能已經(jīng)失效。此時(shí)不需重新接種,只需更換培養(yǎng)液,經(jīng)過2d,陽(yáng)極微生物就能恢復(fù)其產(chǎn)電功能。
　　通過極化曲線和功率密度曲線分析可知,存在明顯的活化極化區(qū)、歐姆極化區(qū)、濃差極化區(qū)

6、,功率密度達(dá)到了1.12 W/m2。對(duì)歐姆極化區(qū)進(jìn)行線性擬合,得出表觀內(nèi)阻為21.3Ω,開路電壓為799.3mV,擬合相關(guān)系數(shù)為0.998。
　　進(jìn)行實(shí)際豬場(chǎng)廢水實(shí)驗(yàn),經(jīng)過兩個(gè)周期的反應(yīng),成功啟動(dòng)了MFC系統(tǒng),通過SEM圖片可以看出,與模擬廢水類似,電子傳遞的最有可能的途徑是通過“納米導(dǎo)線”直接傳導(dǎo)。
　　豬場(chǎng)廢水啟動(dòng)成功后,穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)周期,能夠獲得700mV的穩(wěn)定的輸出電壓,整個(gè)周期持續(xù)190h,產(chǎn)電平臺(tái)140h,COD

7、去除率為74.8%,庫(kù)倫效率為12.8。COD濃度隨時(shí)間變化可以用ExpDec1來進(jìn)行擬合,通過擬合曲線可以看出豬場(chǎng)廢水中有部分有機(jī)物是產(chǎn)電菌難以降解的。通過極化曲線和功率密度曲線,得出最大輸出功率密度為1.02 w/m2,內(nèi)阻為23.25Ω,開路電壓為821.5mV。
　　優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行豬場(chǎng)廢水實(shí)驗(yàn),與未優(yōu)化相比,在相同COD去除率條件下,反應(yīng)周期縮短近一半,產(chǎn)電量變大,庫(kù)倫效率也高于未優(yōu)化,達(dá)到了20.9%,說明優(yōu)化條件后能