微生物燃料電池耦合污水處理工藝產(chǎn)電及脫氮效能研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)可利用微生物作為催化劑，將蘊(yùn)含在可生化降解物質(zhì)（燃料）當(dāng)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。微生物燃料電池能夠在去除污染物的同時(shí)產(chǎn)電，但也存在著脫氮效果不好、出水水質(zhì)不佳、陰陽極pH酸化與堿化等問題。為使微生物燃料電池能夠更好地從廢水中提取生物質(zhì)能，獲取更好的除污染效果，本論文結(jié)合現(xiàn)有污水處理技術(shù)，進(jìn)一步完善微生物燃料電池構(gòu)型，針對(duì)MFC存在的問題，開發(fā)旋轉(zhuǎn)生物陰極MFC、膜過濾生物陰極

2、MFC和序批極性反轉(zhuǎn)MFC反應(yīng)器。
　　城市污水呈低碳氮比特性，脫氮過程硝化需要曝氣，反硝化需要外加碳源。本研究為簡化脫氮工藝，降低能耗和操作復(fù)雜度，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)生物陰極MFC，充分利用生物轉(zhuǎn)盤特有優(yōu)勢，在陰極無需曝氣，且充分利用電極電化學(xué)反硝化功能，以電極為電子供體，強(qiáng)化脫氮功能。研究發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)進(jìn)水以及進(jìn)水COD/N比為5∶1時(shí)，該反應(yīng)器COD和TN的去除率為85.7±7.4％和83.7±7.6％，最大的輸出功率為584.5±29

3、.2 mW/m3。通斷路實(shí)驗(yàn)中，開路出水總氮去除率為59.4±3.3％，通路出水總氮去除率為82.1±0.5％，總氮去除率提高了約23％。陰極生物膜能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)硝化反硝化，循環(huán)伏安證明陰極微生物能夠催化NO3-還原，以電極為電子供體的電化學(xué)反硝化有利于脫氮。DGGE及基因測序分析陰極生物膜分層的群落結(jié)構(gòu)，內(nèi)層分布反硝化菌，與Acidovorax sp.以及Delftia sp.分別有99％和98％的相似度，屬于Comamondaceae

4、菌屬。
　　生物陰極MFC出水仍需沉淀或者過濾以保證質(zhì)量。本研究利用膜生物反應(yīng)器出水質(zhì)量高的優(yōu)勢，以不銹鋼網(wǎng)和碳?xì)謨煞N不同的導(dǎo)電材料制作膜組件，膜組件同時(shí)作為陰極并過濾出水，同步完成硝化和電化學(xué)反硝化。不銹鋼和碳?xì)帜そM件在濁度、COD和氨氮方面都有較好的去除效果。以不銹鋼膜MFC中，水流經(jīng)膜組件后NO3--N未降低。碳?xì)帜FC中，水流經(jīng)膜組件后，NO3--N從35.9±4.2 mg/L降為27.3±5.3 mg/L，陰極硝氮去除

5、率為23.3±6.5％，總氮去除率提高約17％;在開路模式運(yùn)行（無電流通過）時(shí)，膜組件過濾后，水中NO3--N無變化，證明電化學(xué)反硝化發(fā)生在碳?xì)帜FC中。不銹鋼和碳?xì)諱FCs的最大輸出功率分別為121.4±0.0 mW/m3和1253.3±8.9 mW/m3。碳?xì)帜そM件表面主要覆蓋微球菌和棒狀菌。FISH分析表明，在生物膜內(nèi)層主要分布Paracoccus屬菌和Pseudomonas spp.菌。
　　伴隨著陰陽極反應(yīng)的進(jìn)行，MF

6、C會(huì)不可避免地發(fā)生陽極酸化和陰極堿化，影響反應(yīng)器效率。設(shè)計(jì)序批極性反轉(zhuǎn)MFC，內(nèi)置離子交換膜，電極交替地經(jīng)歷厭氧陽極段、好氧陰極段和缺氧陰極段，類似于SBR反應(yīng)器。兩個(gè)SBR半電池組合錯(cuò)序運(yùn)行，構(gòu)成完整的MFC。該反應(yīng)器能夠防止陽極酸化、陰極堿化，并可實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的完全去除，系統(tǒng)最大輸出功率為623.3±4.1 mW/m3。極性反轉(zhuǎn)電極上的主要菌株有Arthrobacter sp.，Stenotrophomonas sp.和Sphingo

7、bacterium sp.，其中Arthrobacter sp.在極性反轉(zhuǎn)模式下得到了富集，被認(rèn)為能夠進(jìn)行電子的雙向傳遞。
　　序批極性反轉(zhuǎn)MFC中投加污泥，調(diào)整厭氧/好氧/缺氧時(shí)長為6/4/2 h時(shí)，氨氮去除率達(dá)到99.0±1.3％，但反硝化效能較差，總氮去除率僅為29.1±5.8％。調(diào)整厭氧/好氧/缺氧時(shí)長為6/2/4 h時(shí)，通斷路運(yùn)行條件下的氨氮去除率均為100.0±0.0％，通路和開路的總氮去除率分別為91.4±0.2％和