超聲―微生物燃料電池處理污泥性能及有機物組分變化.pdf

1、針對全球能源短缺和傳統(tǒng)污泥處理處置過程中能耗高、污泥停留時間長等問題，本文引入微生物燃料電池（Microbial fuel cell, MFC）技術，在處理剩余污泥的同時將污泥中的化學能以電能的形式回收，實現(xiàn)污泥的資源化利用。
　　采用經典雙室微生物燃料電池，對以剩余污泥為底物的微生物燃料電池的產電性能及污泥降解效果進行研究。考察陽極底物及陰極溶液性質、污泥預處理方式對 MFC性能的影響。研究污泥有機物組分經超聲預處理和MFC處理

2、后的特征變化，揭示貢獻于超聲-微生物燃料電池產電的污泥有機組分特征。
　　對以污泥為底物的微生物燃料電池的啟動運行及影響因素研究表明，以鐵氰化鉀為電子受體的雙室微生物燃料電池可以直接利用剩余污泥為底物實現(xiàn)電能輸出。MFC運行250 h，電壓穩(wěn)定輸出為0.69 V，污泥 TCOD（Total chemical oxygen demand, TCOD）去除率為46.4％。陽極區(qū)攪拌、緩沖溶液投加、陰極曝氣對以污泥為底物的MFC性能影響

3、不顯著。陰極電解液濃度增加和陽極底物中性條件可提高MFC電能輸出和污泥降解效果。
　　污泥預處理對微生物燃料電池性能影響的研究表明，污泥有機質溶出率隨超聲聲能密度的增加和作用時間的延長而增加。投堿量的增加和堿處理時間的延長會促進污泥有機質溶出，超聲加堿組合工藝對污泥預處理效果最好。超聲、堿和超聲加堿預處理均可有效地提高以污泥為底物的MFC系統(tǒng)對污泥的降解效果，預處理后污泥 TCOD去除率均超過50%（5-d），揮發(fā)性固體去除率均超

4、過53%（5-d）。由于預處理后污泥溶解性物質含量高，對以污泥為底物的MFC系統(tǒng)電能輸出影響達到飽和，功率密度僅從10.3 W/m3升高到11.9 W/m3。
　　對污泥有機組分經超聲處理后的特征變化研究表明，超聲處理可增加污泥上清液 DOM（Dissolved organic matter）和EBOM（Extracellular biological organic matter）中DOC的含量，提高污泥可生物降解性。污泥 EB

5、OM中HPO-A組分是污泥中芳香性物質的主要貢獻者。高聲能密度超聲處理更利于污泥 EBOM中芳香類化合物的水解。溶解性微生物產物和芳香性蛋白質是污泥熒光性物質的主要組成部分。低聲能密度超聲處理優(yōu)先促進芳香性蛋白質類物質溶出，高聲能密度超聲處理促進芳香性蛋白質和溶解性微生物產物大量溶出。污泥有機物組分中可見腐植酸類物質熒光團，該類物質的存在利于MFC系統(tǒng)中由陽極底物降解產生的電子向陽極電極表面的轉移。污泥中羧酸類化合物，脂肪族化合物，蛋白

6、質，烴類及糖類物質含量相對較高，蛋白質主要存在于污泥EBOM中，超聲處理促進上述物質水解溶出。
　　對超聲-微生物燃料電池處理污泥性能及有機物組分特征變化研究表明，超聲-MFC對污泥有機物去除顯著，TCOD去除率大于50%，電能輸出穩(wěn)定。污泥 DOM和EBOM中DOC含量經 MFC處理后分別下降69.5%和56.4%。MFC中微生物優(yōu)先水解超聲預處理污泥 EBOM中親水性組分和酸性組分中的芳香性物質，產電微生物優(yōu)先利用污泥溶解性有

7、機物中的親水性和酸性物質產電。高聲能密度超聲預處理污泥 EBOM中非芳香性物質在 MFC中的水解較快。MFC優(yōu)先利用污泥 DOM中HPO-A組分中的非芳香性物質，并對超聲處理污泥中芳香性蛋白質和溶解性微生物產物具有較好的水解及去除能力。羥基化合物在低聲能密度超聲作用下絕大多數(shù)溶出，并且在 MFC系統(tǒng)中易于被去除。低聲能密度超聲作用促進酰胺 II類蛋白質在 MFC系統(tǒng)中的水解與降解，高聲能密度促進 MFC對酰胺 I類蛋白質的去除。產電微生