榨菜廢水MFC長(zhǎng)周期運(yùn)行性能及微生物群落結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）是近幾年來(lái)備受關(guān)注的技術(shù)。在當(dāng)今社會(huì)，能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題在全球范圍內(nèi)日益加重，MFC可以以產(chǎn)電微生物為催化劑，利用簡(jiǎn)單有機(jī)物或?qū)嶋H廢水中的復(fù)雜有機(jī)物為底物，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。
　　榨菜生產(chǎn)在三峽庫(kù)區(qū)已有百年歷史，近年來(lái)，三峽庫(kù)區(qū)經(jīng)濟(jì)走上了高速發(fā)展的軌道，作為特色支柱性產(chǎn)業(yè)的榨菜加工業(yè)也得到大力扶持與迅猛發(fā)展，其生產(chǎn)規(guī)模越來(lái)越大。榨菜在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)

2、排放大量高鹽高濃度的加工廢水?，F(xiàn)今，榨菜廢水主要采用厭氧技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，然后利用好氧技術(shù)進(jìn)一步處理，為達(dá)標(biāo)排放，通常會(huì)增加物化單元進(jìn)行強(qiáng)化處理。然而常規(guī)的好氧技術(shù)能耗和運(yùn)行費(fèi)用高，并且污泥產(chǎn)量大，污泥的后續(xù)治理費(fèi)用也較高。由于榨菜廢水具有用作電池燃料適宜的水質(zhì)特征：豐富的有機(jī)物含量、良好的可生化性及適宜的鹽度。因此，將榨菜廢水處理與MFC相結(jié)合值得探討與研究。本文以高鹽高濃度榨菜廢水為MFC底物，構(gòu)建了經(jīng)典雙室MFC。對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中M

3、FC的產(chǎn)電性能及污染物去除效果進(jìn)行了研究，運(yùn)用掃描電鏡及16S rRNA基因測(cè)序技術(shù)對(duì)陽(yáng)極和陰極生物膜結(jié)構(gòu)與優(yōu)勢(shì)菌種進(jìn)行了鑒定分析。此外，本文還考察了曝氣強(qiáng)度對(duì)生物陰極MFC產(chǎn)電性能及脫碳除氮的影響。主要結(jié)論如下：
　?、僭诙嘀芷冢?個(gè)周期）運(yùn)行過(guò)程中高鹽高濃度榨菜廢水MFC可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定產(chǎn)電。在外接1000Ω電阻間歇運(yùn)行條件下，電池運(yùn)行至第5周期時(shí)產(chǎn)電性能達(dá)到最佳，最大功率密度、電池內(nèi)阻及開(kāi)路電壓分別為：7.44W/m3、88?

4、、746mV，COD去除率及庫(kù)倫效率分別為：(65±2.5)%、(19.3±1)%。高鹽高濃度廢水MFC運(yùn)行50天（4個(gè)周期）啟動(dòng)完畢。啟動(dòng)成功后污染物去除率隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢提高，運(yùn)行至第8周期時(shí)COD去除率為(73±3.3)%；而庫(kù)倫效率則緩慢降低，最大庫(kù)倫效率為(19.3±1)%。陽(yáng)極pH不斷下降，酸化程度加重。多周期運(yùn)行過(guò)程中最大穩(wěn)定功率輸出對(duì)應(yīng)的外阻為500Ω左右，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中功率密度和極化曲線出現(xiàn)了回折現(xiàn)象。
　?、谠?/p>

5、外接500Ω電阻長(zhǎng)周期（31個(gè)周期）運(yùn)行過(guò)程中高鹽高濃度榨菜廢水MFC整個(gè)測(cè)試期間均有電能產(chǎn)生，且穩(wěn)定高效產(chǎn)電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)80天。在穩(wěn)定高效產(chǎn)電階段，最大功率密度、最小內(nèi)阻及最大開(kāi)路電壓分別為：12.43W/m3、148Ω、756mV，最大COD去除率及庫(kù)倫效率分別為：(89±1.5)%、(36.7±1.2)%。高鹽高濃度榨菜廢水MFC運(yùn)行32天啟動(dòng)完畢。啟動(dòng)成功后污染物去除率隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷提高，而庫(kù)倫效率不斷下降。陽(yáng)極pH先下降后

6、升高，陽(yáng)極出水最小pH為4.36±0.05。陽(yáng)極出水pH的變化表明厭氧發(fā)酵與產(chǎn)甲烷過(guò)程是先后進(jìn)行的，在運(yùn)行后期可通過(guò)抑制產(chǎn)甲烷過(guò)程提高M(jìn)FC的產(chǎn)電效率。
　?、墼谏镪帢OMFC中，當(dāng)曝氣強(qiáng)度為150 mL/min時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)電性能達(dá)到最佳，最大功率密度、內(nèi)阻及開(kāi)路電壓分別為：0.803W/m3、651Ω、760mV。陰極氧還原受阻而產(chǎn)生的過(guò)電勢(shì)極大限制了系統(tǒng)的能量回收效率。陰極電解液中的COD和氨氮會(huì)降低系統(tǒng)輸出電壓。曝氣強(qiáng)度對(duì)CO

7、D去除影響較小。不同曝氣強(qiáng)度下，陰極與陽(yáng)極COD去除率均大于89%。曝氣強(qiáng)度對(duì)脫氮效果影響較大，曝氣強(qiáng)度在100~150 mL/min時(shí)脫氮效果較好，總氮去除率最大可達(dá)80%；不同曝氣量下，氨氮去除率均大于94%；且不同曝氣強(qiáng)度下陰極硝態(tài)氮均出現(xiàn)累積現(xiàn)象。
　?、軖呙桦婄R及16S rRNA基因測(cè)序結(jié)果表明，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程后陽(yáng)極生物膜的脫落可能是MFC產(chǎn)電效率下降的重要原因；納米導(dǎo)線是高鹽高濃度榨菜廢水MFC胞外電子傳遞的一種方式；生