三室微生物燃料電池系統(tǒng)構(gòu)建及碳氮硫去除特性研究.pdf

1、我國(guó)是水資源短缺、水環(huán)境污染嚴(yán)重的國(guó)家,要解決水資源短缺和水環(huán)境生態(tài)安全問題,迫切要求發(fā)展水資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)。水資源循環(huán)中及其重要的環(huán)節(jié)是通過廢水處理改善受污染水環(huán)境的總體水質(zhì)、提高水資源的利用效率。如何實(shí)現(xiàn)廢水中資源的高效、資源化、能源化利用,已成為環(huán)境工程領(lǐng)域世界性熱點(diǎn)和關(guān)鍵基礎(chǔ)難題之一。
　　傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)是一種能源消耗型處理技術(shù),并且處理過程中往往會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳排放和高的剩余污泥量從而造成二次環(huán)境污染,因此,如何在廢

2、水處理過程中降低能耗、減少溫室氣體排放和剩余污泥量具有重要意義。微生物燃料電池技術(shù)(Microbial fuel cell,MFC)是環(huán)境工程領(lǐng)域近十年來新興的集廢水處理、能源同步回收和污泥減量化為一體的能源化新技術(shù),因此,具有良好的應(yīng)用前景。本論文以MFC技術(shù)作為研究手段,通過MFC系統(tǒng)陰、陽極材料優(yōu)化,設(shè)計(jì)開發(fā)了三室碳氮硫同步去除MFC系統(tǒng),開展了碳、氮、硫去除特性研究。
　　在陰陽極材料開發(fā)方面,通過評(píng)價(jià)陽極氧化和堿處理兩種

3、陽極改性方法,在14mA·cm-2的電流密度下陽極氧化2min,獲得了的最佳的改性處理?xiàng)l件。陽極氧化方法可有效的增加材料表面的粗糙度,使材料的電化學(xué)活性表面積從11.2cm2增加到44.1cm2,表面元素組成分析表明,陽極氧化方法可以有效的增加材料表面的含N元素官能基團(tuán)含量。極化曲線分析表明,14mA·cm-2的氧化電流密度下可以獲得0.93W·m-2的功率密度輸出,比未改性材料提高12.1％。為解決陰極材料成本昂貴的問題,選用了無需擴(kuò)

4、散層制作的廉價(jià)的雙面布材料,獲得了0.70±0.02W·m-2的功率輸出,COD去除率為75±3%,庫倫效率為18±1%,并可使空氣陰極的體積功率密度成本下降兩個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)廉價(jià)的泡沫鎳電極進(jìn)行改性處理,可以有效的提高電極的性能,最大功率密度為0.69±0.01W·m-2,比未處理電極性能提高35%,電極穩(wěn)定性研究表明,改性處理有效的防止了電極的腐蝕,抗腐蝕效率提高了97%。當(dāng)使用生物陰極時(shí),電極材料選擇低電阻,高電容、高比表面積的碳刷電

5、極。
　　在系統(tǒng)構(gòu)建方面,分別構(gòu)建了雙室碳捕獲、氮去除、硫去除MFC系統(tǒng)。在雙室碳捕獲MFC系統(tǒng)中,陰極接種小球藻原位捕獲陽極產(chǎn)生的CO2,從而實(shí)現(xiàn)了廢水的低碳排放和碳的生物捕獲。一個(gè)完整周期內(nèi)COD去除率為91%,庫倫效率為12.6%。使用NaHCO3代替CO2考察該系統(tǒng)的碳捕獲率,在0.6mg·L-1 NaHCO3濃度下,獲得1.59W·m-2的最大功率密度輸出,無機(jī)碳的捕獲率為63%,系統(tǒng)中藻密度比初始密度增加了1.26倍,

6、表明系統(tǒng)中捕獲的碳主要用于藻類生物質(zhì)的生長(zhǎng)。在雙室氮去除MFC系統(tǒng)中,采用生物—空氣陰極連接方式可以實(shí)現(xiàn)86.2%的氮去除率,比生物陰極系統(tǒng)的氮去除率高57%,同時(shí)可以使反應(yīng)器的運(yùn)行時(shí)間從生物陰極的500h縮短到140h。在兩段式硫去除系統(tǒng)中,獲得了0.36W·m-2的功率密度輸出,COD去除率為90%,庫倫效率為22%。通過外阻調(diào)控,在1000Ω的外阻條件下,獲得了最佳的硫酸鹽還原性能,硫酸鹽轉(zhuǎn)化率為78%。在電化學(xué)系統(tǒng)中使用0.1V

7、的陽極恒電位,獲得了最佳的單質(zhì)硫回收率。
　　在碳、氮、硫同步去除方面,先構(gòu)建了三室碳氮同步去除MFC系統(tǒng),在9.2A·m-3的電流密度下,獲得1.6W·m-3的功率密度輸出。平均的COD去除率為81.3%,平均的CE為6.2%。系統(tǒng)中的碳去除率為85.6%,氮的去除率為80.0%。隨后,構(gòu)建了三室碳、氮、硫同步去除MFC系統(tǒng),在4.9A·m-3的電流密度下,獲得了1.2W·m-3的功率密度輸出,碳去除可以達(dá)到90.3%,氮去除率