微生物燃料電池應用于A2-O工藝處理生活污水的研究.pdf

1、微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFC）是在微生物的作用下，將化學能轉化為電能的新興污水處理技術，是近年來環(huán)境和新能源領域的研究熱點。但由于成本過高、輸出功率偏低、反應器放大困難等問題，導致MFC的研究仍停留在實驗室階段，距離實際應用還有很長的路要走。本研究以MFC的實用化為目的，按照小試-中試-工程示范的路線，系統(tǒng)研究將MFC應用于實際污水處理工藝的可能性。
　　電極材料優(yōu)化的小試實驗結果表明，投加碳材料

2、后可以在短時間內迅速提高MFC的輸出電流。這些碳材料增加了電極的比表面積，也增加了陰極表面電催化活性微生物的數(shù)量因此提高了陰極氧還原速率，并降低了電極活化內阻，使得陰極性能和MFC的整體性能得到提升。使用活性炭顆粒優(yōu)化時，MFC的最大輸出功率可以達到之前的166.1％，庫倫效率提高64.3％，并且可以提高陽極化學需氧量(COD)的去除率，效果比投加石墨顆粒和活性炭粉末更加明顯。通過串聯(lián)方式可以提高MFC的輸出電壓，但是極易出現(xiàn)反極現(xiàn)象。

3、通過增加陰極基質的循環(huán)速率提高陰極溶解氧含量，進而延長串聯(lián)MFC電池組輸出電壓的穩(wěn)定時間。
　　以A2/O反應器的厭氧段作為MFC的陽極室，缺氧段作為MFC的陰極室，構建了10L的MFC-A2/O耦合系統(tǒng)，并優(yōu)化了水力停留時間（HRT）和內回流比兩個工藝運行參數(shù)。結果表明該耦合系統(tǒng)在HRT=16h、內回流比=200％時可以獲得最佳出水效果，此時耦合系統(tǒng)的出水COD、總氮濃度分別比對照A2/O降低27.4％和11.1％;同時可以得到

4、596±31mW/m3的最大輸出功率密度。但MFC獲得最佳產電效果對應的運行參數(shù)為HRT=12h、內回流比=100％，此時能夠達到的最大輸出功率密度為808mW/m3。MFC-A2/O耦合系統(tǒng)增強了傳統(tǒng)A2/O工藝抵抗污染負荷沖擊的能力。能量平衡結果表明，同等運行條件下，由于MFC產電的補償作用和節(jié)省了攪拌器的使用，MFC消耗的能量更少。在HRT=16h、內回流比=200％時，MFC-A2/O耦合系統(tǒng)比傳統(tǒng)A2/O工藝節(jié)省53.7％的電

5、能。
　　將A2/O反應器放大至1m3，并構建MFC-A2/O耦合系統(tǒng)。結果表明，碳刷電極安裝在不同位置構成的MFC，其產電性能與反應器內的氧化還原電位差和污水成分有關。陽極置于厭氧前段、陰極置于缺氧末段時MFC產電量最高，對應的傳質距離最長。這個結論與以往研究有所不同?；谔妓Ⅲw積考察規(guī)格碳刷的性能，發(fā)現(xiàn)由于內部電流損失導致輸出電流強度不隨碳刷體積增加而增大;碳刷規(guī)格為50×5cm時，輸出功率密度最大，為2.36W/m3。使用集

6、流網強化陽極碳刷電極，可以使輸出電流密度由14.1A/m3提高到22.3A/m3;但對于陰極的強化沒有明顯的效果。構建MFC后對污水處理效果沒有明顯的影響。
　　將1m3的MFC-A2/O耦合系統(tǒng)在自然條件下運行了12個月，低溫時發(fā)生水質惡化現(xiàn)象，同時產電量降低。但溫度上升后水質和產電量均有恢復，其中出水COD濃度＜35mg/L，氨氮濃度＜10mg/L，硝氮濃度＜17mg/L，均低于實驗初期，運行效果良好。對電極生物膜的群落結構進

7、行了長期追蹤，共收集24個樣品，使用MiSeq高通量測序技術得到每個樣品標準化序列17989條，OTU數(shù)817-1202個。實驗結果表明，隨著耦合系統(tǒng)的運行，各分類學水平上陽極和陰極生物膜群落數(shù)量總體有所增長，但水質惡化期的群落穩(wěn)定性和多樣性也受到影響。陽極和陰極分別檢測出344-433和330-429個屬。實驗結束時陽極生物膜中的優(yōu)勢群落為Proteobacteria(30.7％)、Firmicutes(22.4％)、Chlorofl

8、exi(13.7％)、Bacteroidetes(13.5％)和Actinobacteria(7.1％);陰極生物膜中的優(yōu)勢群落為Proteobacteria(28.1％)、Chloroflexi(23.1％)、Bacteroidetes(12.5％)、Actinobacteria(10.1％)和Firmicutes(6.4％)。在陽極檢測出15種具有產電能力的菌屬，其中豐度較高的有Clostridium、Paracoccus、Pseu

9、domonas、Arcobacter,最大豐度分別為5.7％、1.6％、0.8％、0.6％。陰極反硝化菌種群落結構前后也有很大變化，各時期的優(yōu)勢菌種不同。Partial Mantel test結果顯示，溫度對陽極和陰極微生物群落結構均有非常顯著的影響，而產電量與陽極生物膜群落結構的相關度比陰極更為顯著。
　　在科技部國際合作專項支持下，根據小試和中試的實驗結果和經驗，在實際污水處理廠開展了MFC工程示范。進行了選址、電極材料加工和