凍結(jié)融溶-微生物燃料電池強化剩余污泥破解與產(chǎn)電性能.pdf

1、能源短缺和環(huán)境危機是當今社會的兩大難題。微生物燃料電池（Microbial fuel cell,MFC）技術(shù)，可在降解剩余污泥有機物的同時回收電能，是一種潛在價值巨大的新興技術(shù)。針對北方寒冷地區(qū)冬季低溫漫長的氣候條件，可利用自然條件對污泥進行凍結(jié)融溶預處理。本文利用寒冷地區(qū)冬季的氣候特點，采用凍結(jié)融溶-微生物燃料電池處理剩余污泥同步回收電能，并對其運行效果進行分析。
　　本文以凍結(jié)融溶作為污泥預處理方式，采用凍結(jié)融溶-微生物燃料電

2、池處理剩余污泥，分別考察了以鐵氰化鉀陰極和生物陰極凍結(jié)融溶-微生物燃料電池及雙室生物陰極和三室生物陰極凍結(jié)融溶-微生物燃料電池對對剩余污泥有機物降解效果及產(chǎn)電性能。通過對優(yōu)選后的工藝各階段運行前后陽極剩余污泥有機組分特征的分析比對，揭示剩余污泥經(jīng)凍結(jié)融溶-微生物燃料電池處理過程中的有機組分變化情況。
　　對剩余污泥的凍結(jié)融溶處理研究表明，凍結(jié)融溶處理可以使污泥破解，有機物溶出，實現(xiàn)有機物從固相到液相的轉(zhuǎn)化。以-20℃條件下凍結(jié)融溶

3、的污泥為例，冷凍0~3h，融化后溶解性化學需氧量（Soluble chemical oxygen demand,SCOD）含量變化并不明顯，而冷凍時間超過3h后，融化后SCOD含量急劇增加，說明只有當污泥進入固化階段后，有機物溶出效果才變得明顯；冷凍過程中冷凍階段的環(huán)境溫度相對較高（本實驗-5℃）而固化階段的環(huán)境溫度相對較低（本實驗-20℃），且固化時間越長（本實驗不超過42h），融化后有機物溶出效果越好。根據(jù)實驗結(jié)果確定最佳的凍結(jié)融溶

4、處理方法，剩余污泥樣品在-5℃條件下冷凍6h后，再轉(zhuǎn)移至-20℃下繼續(xù)冷凍42h，共計冷凍48h，然后放置在室溫條件下（20℃）融化12h，對污泥泥質(zhì)分析結(jié)果表明：SCOD、溶解性多糖以及溶解性蛋白質(zhì)含量相比原泥分別增加了2.14倍、1.33倍以及2.65倍，pH值降低，堿度升高，并伴隨著氮素的釋放。
　　對三組凍結(jié)融溶-微生物燃料電池處理污泥時有機物降解的研究表明，凍結(jié)融溶-鐵氰化鉀MFC產(chǎn)電階段在運行6d時，SCOD達到峰值，

5、運行20d時，陽極污泥總化學需氧量（Total chemical oxygen demand,TCOD）的去除率為69.2％；凍結(jié)融溶-雙室生物陰極MFC陽極污泥SCOD在15d時達到峰值，運行30d時，TCOD的去除率為80.6%；凍結(jié)融溶-三室生物陰極MFC運行40d時，TCOD的去除率為85.5%。凍結(jié)融溶-微生物燃料電池的凍結(jié)融溶處理階段可增加污泥溶解性有機物的含量，進入MFC處理階段，較高的溶解性有機物含量又可促進MFC中的微

6、生物對污泥有機物的水解。凍結(jié)融溶-鐵氰化鉀MFC運行前期，MFC中的微生物對污泥中有機物進行水解且TCOD去除效果明顯。但凍結(jié)融溶-三室生物陰極MFC在整個運行過程中對促進污泥中有機物溶出及對剩余污泥有機物的降解效果更好。
　　對三組凍結(jié)融溶-微生物燃料電池處理污泥產(chǎn)電性能的研究表明，凍結(jié)融溶-鐵氰化鉀MFC產(chǎn)電階段在運行6d時系統(tǒng)獲得最大功率密度10.3W/m3，凍結(jié)融溶-雙室生物陰極MFC在產(chǎn)電階段運行20d時獲得最大功率密度

7、13.7W/m3，凍結(jié)融溶-三室生物陰極MFC在產(chǎn)電階段運行15d時獲得最大功率密度12.6W/m3。凍結(jié)融溶-鐵氰化鉀MFC有著啟動快、沒有停滯階段的優(yōu)點，但凍結(jié)融溶-三室生物陰極MFC更利于剩余污泥的電能回收。
　　對凍結(jié)融溶-微生物燃料電池各階段處理前后污泥有機組分的特征變化研究表明，凍結(jié)融溶處理可增加污泥上清液溶解性有機物（Dissolved organic matter,DOM）和污泥固相胞外生物有機質(zhì)（Extracel

8、lular biological organic matter,EBOM）中溶解性有機碳（Dissolvedorganiccarbon,DOC）的含量，提高污泥可生物降解性，促進污泥固相中疏水性有機酸（HPO-A）組分中芳香族化合物向液相中水解。污泥EBOM中親水性有機物（HPI）組分和上清液中過渡親水性有機酸（TPI-A）組分出現(xiàn)較弱的腐殖酸熒光團可促進后續(xù)MFC產(chǎn)電。對凍結(jié)融溶-鐵氰化鉀陰極MFC以及凍結(jié)融溶-三室生物陰極MFC運行