微生物燃料電池應(yīng)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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的新興污水處理技術(shù)，是近年來環(huán)境和新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但由于成本過高、輸出功率偏低、反應(yīng)器放大困難等問題，導(dǎo)致MFC的研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，距離實(shí)際應(yīng)用還有很長的路要走。本研究以MFC的實(shí)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(yīng)用于實(shí)際污水處理工藝的可能性。
　　電極材料優(yōu)化的小試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，投加碳材料

2、后可以在短時(shí)間內(nèi)迅速提高M(jìn)FC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(nèi)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(shí)，MFC的最大輸出功率可以達(dá)到之前的166.1％，庫倫效率提高64.3％，并且可以提高陽極化學(xué)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M(jìn)FC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(zhì)的循環(huán)速率提高陰極溶解氧含量，進(jìn)而延長串聯(lián)MFC電池組輸出電壓的穩(wěn)定時(shí)間。
　　以A2/O反應(yīng)器的厭氧段作為MFC的陽極室，缺氧段作為MFC的陰極室，構(gòu)建了10L的MFC-A2/O耦合系統(tǒng)，并優(yōu)化了水力停留時(shí)間（HRT）和內(nèi)回流比兩個(gè)工藝運(yùn)行參數(shù)。結(jié)果表明該耦合系統(tǒng)在HRT=16h、內(nèi)回流比=200％時(shí)可以獲得最佳出水效果，此時(shí)耦合系統(tǒng)的出水COD、總氮濃度分別比對(duì)照A2/O降低27.4％和11.1％;同時(shí)可以得到

4、596±31mW/m3的最大輸出功率密度。但MFC獲得最佳產(chǎn)電效果對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)為HRT=12h、內(nèi)回流比=100％，此時(shí)能夠達(dá)到的最大輸出功率密度為808mW/m3。MFC-A2/O耦合系統(tǒng)增強(qiáng)了傳統(tǒng)A2/O工藝抵抗污染負(fù)荷沖擊的能力。能量平衡結(jié)果表明，同等運(yùn)行條件下，由于MFC產(chǎn)電的補(bǔ)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(nèi)回流比=200％時(shí)，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(yīng)器放大至1m3，并構(gòu)建MFC-A2/O耦合系統(tǒng)。結(jié)果表明，碳刷電極安裝在不同位置構(gòu)成的MFC，其產(chǎn)電性能與反應(yīng)器內(nèi)的氧化還原電位差和污水成分有關(guān)。陽極置于厭氧前段、陰極置于缺氧末段時(shí)MFC產(chǎn)電量最高，對(duì)應(yīng)的傳質(zhì)距離最長。這個(gè)結(jié)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(nèi)部電流損失導(dǎo)致輸出電流強(qiáng)度不隨碳刷體積增加而增大;碳刷規(guī)格為50×5cm時(shí)，輸出功率密度最大，為2.36W/m3。使用集

6、流網(wǎng)強(qiáng)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(duì)于陰極的強(qiáng)化沒有明顯的效果。構(gòu)建MFC后對(duì)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(yùn)行了12個(gè)月，低溫時(shí)發(fā)生水質(zhì)惡化現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)電量降低。但溫度上升后水質(zhì)和產(chǎn)電量均有恢復(fù)，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(shí)驗(yàn)初期，運(yùn)行效果良好。對(duì)電極生物膜的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)

7、行了長期追蹤，共收集24個(gè)樣品，使用MiSeq高通量測(cè)序技術(shù)得到每個(gè)樣品標(biāo)準(zhǔn)化序列17989條，OTU數(shù)817-1202個(gè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著耦合系統(tǒng)的運(yùn)行，各分類學(xué)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(zhì)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(cè)出344-433和330-429個(gè)屬。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)陽極生物膜中的優(yōu)勢(shì)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(shì)群落為Proteobacteria(28.1％)、Chloroflexi(23.1％)、Bacteroidetes(12.5％)、Actinobacteria(10.1％)和Firmicutes(6.4％)。在陽極檢測(cè)出15種具有產(chǎn)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(jié)構(gòu)前后也有很大變化，各時(shí)期的優(yōu)勢(shì)菌種不同。Partial Mantel test結(jié)果顯示，溫度對(duì)陽極和陰極微生物群落結(jié)構(gòu)均有非常顯著的影響，而產(chǎn)電量與陽極生物膜群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)度比陰極更為顯著。
　　在科技部國際合作專項(xiàng)支持下，根據(jù)小試和中試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際污水處理廠開展了MFC工程示范。進(jìn)行了選址、電極材料加工和