生物電化學(xué)系統(tǒng)處理藻渣及其產(chǎn)電效能研究.pdf

1、目前,我國水污染物排放總量明顯超過水環(huán)境承載力,水體污染嚴重。其中表現(xiàn)最突出的一個問題就是水體富營養(yǎng)化日趨嚴重。而富營養(yǎng)化最直接的后果就是引起藻類和其他水生植物的大量繁殖,形成水華。在給水廠中,對于含藻水的處理一直圍繞著如何經(jīng)濟有效的除藻及減少處理過程中產(chǎn)生的藻類副產(chǎn)物展開。而很少從藻類資源回收利用的角度上來考慮如何更好地利用這部分處理過程中產(chǎn)生的廢棄藻渣。我們可以借鑒海洋藻類資源利用和對富營養(yǎng)化水體藻類資源開發(fā)利用的經(jīng)驗,對給水廠中處

2、理工藝產(chǎn)生的藻渣給予合理的利用,轉(zhuǎn)化為能量,而回收這部分能量又可以為水廠帶來收益,最終達到“變廢為寶”的目的。生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)是近幾年發(fā)展起來的新型的生物處理方法,可以在降解有機物的同時回收電能。本文圍繞著藻渣在生物電化學(xué)系統(tǒng)中的降解效能、產(chǎn)電性能和能量回收、降解前后組分和結(jié)構(gòu)的變化、及藻渣中有機物與副產(chǎn)物的生成關(guān)系等方面展開研究。
　　首先研究了藻渣的主要成分藻及其代謝產(chǎn)物,包括藻胞內(nèi)有機物和胞外有機物的性質(zhì)及藻類副產(chǎn)物

3、,包括消毒副產(chǎn)物、嗅味物質(zhì)和藻毒素的生成規(guī)律。結(jié)果表明,藻分泌的胞外有機物較少,大部分有機物都存在藻細胞內(nèi)部。在組成上,蛋白、碳水化合物是藻胞外有機物(EOM)的主要成分;蛋白是藻胞內(nèi)有機物的主要成分(IOM)。在結(jié)構(gòu)上,EOM比IOM中含有更多小分子量物質(zhì);IOM比EOM含有更多的芳香環(huán)化合物、以及蛋白、氨基酸類物質(zhì)。不同時期藻胞內(nèi)外有機物中蛋白、碳水化合物和脂類的比例分配決定三鹵甲烷(THMs)的生成。當(dāng)水中有溴離子存在時,恒定初始

4、Br-/Cl2,藻胞內(nèi)外有機物THMs生成及分配主要受Br-/TOC摩爾比值影響。藻毒素MC-LR和嗅味物質(zhì)2-MIB的生成主要受藻密度影響,穩(wěn)定期和衰亡期生成量最多。
　　研究了生物電化學(xué)系統(tǒng)對藻渣的降解效能。比較了超聲預(yù)處理、熱堿預(yù)處理、堿預(yù)處理對藻渣中有機物的水解及釋放可溶性有機物的效果,熱堿處理優(yōu)于堿處理、更優(yōu)于超聲處理。對比生物電化學(xué)系統(tǒng)對原藻渣和堿處理后藻渣中有機物的降解效能。堿處理后,SCOD、可溶性的蛋白、可溶性碳

5、水化合物濃度均增加了三倍多。生物電化學(xué)系統(tǒng)對藻渣中可溶性有機物中各參數(shù)都有很好地去除效果,各參數(shù)去除率為碳水化合物>COD>UV254>蛋白>TOC。微生物在高負荷條件下對底物降解的更徹底,去除率更高。當(dāng)高負荷低負荷藻類有機物交替運行時,從低濃度轉(zhuǎn)化到高濃度運行時,微生物需要適應(yīng),對底物降解有所影響。利用DOC、SUVA、分子量、紫外可見光譜、三維熒光光譜、測定蛋白和碳水化合物含量等方法考察了生物電化學(xué)系統(tǒng)(閉路、開路)、厭氧控制三種不

6、同操作條件下的進水和出水藻渣中有機物的組分及結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明,三種不同操作條件下藻渣有機物降解前后都是親水性、含較少芳香環(huán)和雙鍵結(jié)構(gòu)的化合物,且不同條件下的出水中有機物分子量都呈現(xiàn)減少的趨勢。蛋白、碳水化合物和THMs前體物的去除均為生物電化學(xué)系統(tǒng)閉路狀態(tài)最好,其次是厭氧控制試驗,生物電化學(xué)系統(tǒng)開路狀態(tài)效果最差。利用牛血清蛋白、葡萄糖和魚油三種純物質(zhì)計算蛋白、碳水化合物和脂類三種組分各自對藻類有機物中三鹵甲烷生成勢(THMFP)的貢獻

7、。結(jié)合三維熒光光譜技術(shù)、對不同生長時期的藻類有機物生物電化學(xué)降解前后的熒光數(shù)據(jù)進行解析,三種熒光解析方法(熒光強度、熒光區(qū)域面積、平行因子)獲得的熒光參數(shù)與THMFP均有很強的線性相關(guān)性。
　　在產(chǎn)電性能和電能回收方面,堿處理后的藻渣的峰值電壓比原藻渣更大,且達到峰值電壓更快。堿預(yù)處理藻渣比原藻渣獲得更多的能量收益,這部分收益能抵消使用堿處理藥劑產(chǎn)生的費用支出。功率密度隨著藻渣中可溶性有機物濃度的增加而增加,最大的功率密度可達到7

8、.86W/m3。由于生物電化學(xué)系統(tǒng)對不同組分物質(zhì)降解能力的差異,不同生長時期的藻類和不同的藻種對產(chǎn)電性能都有影響。操作條件也會影響產(chǎn)電性能。研究表明,溫度會影響陽極室微生物的生長活性和代謝速率,從而影響陽極電位和整個系統(tǒng)的產(chǎn)電性能。攪拌能提高傳質(zhì)效率,使微生物利用底物的速率加快,縮短三分之二的運行時間。加入電子中介體后微生物活性增強,輸出電壓和功率密度都得到提高?；?6SrRNA基因克隆文庫系統(tǒng)發(fā)育分析可知在陽極生物膜上有大量的產(chǎn)電菌