回流式無(wú)膜生物陰極微生物燃料電池脫氮及污泥減量研究.pdf

1、氮素污染是與人類生活水平改善及人口膨脹伴生的重大環(huán)境污染問(wèn)題。其中影響最大的必然歸于水體富養(yǎng)化。伴隨著污水有機(jī)質(zhì)的去除,微生物必然會(huì)進(jìn)行相當(dāng)量的合成代謝,生成大量細(xì)胞廢棄物,造成剩余污泥積累。大量污泥得不到有效處置,污泥的消納正成為一個(gè)新的社會(huì)和環(huán)境問(wèn)題。針對(duì)有效提高脫氮效率、實(shí)現(xiàn)污泥減量化及降低MFC運(yùn)行成本,設(shè)計(jì)了一種新型的回流式無(wú)PEM膜生物陰極微生物燃料電池(RPLB-MFC)。
　　本文基于RPLB-MFC系統(tǒng),以A2/

2、O系統(tǒng)為對(duì)照研究了RPLB-MFC啟動(dòng)期和穩(wěn)定運(yùn)行期的水處理效果及產(chǎn)電特性。針對(duì)脫氮效果,考察了RPLB-MFC及其對(duì)照在不同荷載下的氮素變化規(guī)律及電促脫氮的機(jī)理。針對(duì)污泥減量,研究了不同產(chǎn)電條件下RPLB-MFC系統(tǒng)剩余污泥的減量效果,探究了電促減量的機(jī)理。最后探究了RPLB-MFC產(chǎn)電、脫氮及污泥減量化之間的關(guān)系。
　　研究表明,RPLB-MFC啟動(dòng)期耗時(shí)24h,穩(wěn)定后輸出電壓為0.53V啟動(dòng)過(guò)程與系統(tǒng)內(nèi)微生物生長(zhǎng)狀況有關(guān)。R

3、PLB-MFC進(jìn)入穩(wěn)定期后陽(yáng)極電位保持在-0.46V,陰極電位穩(wěn)定在0.7V,穩(wěn)定運(yùn)行下的內(nèi)阻為406.8Ω,最大輸出功率密度為0.2019W/m3,相應(yīng)的庫(kù)倫效率為0.39％。RPLB-MFC獲得了較好的水處理效果,COD去除率穩(wěn)定在85%以上,氨氮去除率穩(wěn)定在75%。
　　RPLB-MFC零載荷下穩(wěn)定運(yùn)行,出水NO3-N比A2/O系統(tǒng)平均減少19.46%,NO2-N比A2/O增加16.67%,TN去除率相對(duì)A2/O提高了8.1

4、7%。RPLB-MFC系統(tǒng)的產(chǎn)電過(guò)程抑制NO3-N積累,促NO2-N生成,降低環(huán)境ORP,利于反硝化。MFC零載荷下變換回流比,R增大則RPLB-MFC系統(tǒng)中TN去除率先增后減,R=1時(shí)TN去除率達(dá)到最大值40.83%。較不設(shè)回流的MFC系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)阻降低27.3Ω,最大功率提高23.4mW/m3。RPLB-MFC系統(tǒng)改變荷載進(jìn)行電促脫氮試驗(yàn),Rex=400Ω、9999Ω時(shí)分別代表向外輸電0.2253W/m3及0.0062W/m3。Re

5、x=400Ω、9999Ω條件下NH3-N去除率為93.6%、94.17%。Rex400Ω試驗(yàn)組抑制了NO3-N的排放,而NO2-N生成率較后者提高33.12%,產(chǎn)電明顯促進(jìn)NO2-N生成,TN去除率為49.52%,較后者提高10.29%,產(chǎn)電促進(jìn)了TN去除。RPLB-MFC及A2/O缺氧室混合液中的反硝化菌活菌數(shù)分別約為5.5×105個(gè)/mL及3.5×105個(gè)/mL。RPLB-MFC系統(tǒng)陰極回流液ORP維持在55mV左右低于A2/O系統(tǒng)

6、(75mV),使得MFC系統(tǒng)缺氧段ORP最終維持在﹣90mV左右,顯著低于A2/O系統(tǒng)(﹣40mV),為MFC反硝化菌提供更好的反硝化環(huán)境。
　　零載荷下RPLB-MFC陰極室每日MLSS平均增量為54mg/L,Yobs為0.1462KgVSS/KgCOD、Y值為0.2548,RPLB-MFC系統(tǒng)產(chǎn)電促陰極室污泥減量效力為12.3%,抑制合成代謝效力為7.21%;工藝設(shè)計(jì)促減量效果力為29.27%,抑制合成效力為29.11%。變換

7、載荷,Rex=400Ω及9999Ω對(duì)應(yīng)輸出功率分別為0.2253W/m3及0.0062W/m3,RPLB-MFC陰極室Yobs均值分別為0.1291KgVSS/KgCOD,0.1572KgVSS/KgCOD,Y值為0.2452及0.2708。RPLB-MFC增大輸出功率可提供17.88%的污泥減量增量及9.45%的合成抑制增量,RPLB-MFC陰極室最佳減量效力為45.23%,最佳抑制污泥合成效力為38.72%。Rex400Ω及9999

8、Ω試驗(yàn)各自促使RPLB-MFC系統(tǒng)產(chǎn)電性能變化,系統(tǒng)最大輸出電壓各自變?yōu)?.532V及0.471V,最大輸出功率密度為0.2483W/m3及0.1478W/m3,庫(kù)倫效率為0.46%及0.37%。400Ω負(fù)載時(shí)系統(tǒng)內(nèi)阻較零負(fù)載和最大負(fù)載分別降低18.2Ω及66.8Ω。集泥斗污泥Yobs即RPLB-MFC總Yobs為0.0809,總減量效果為72.61%。RPLB-MFC集泥斗中其他促減量反應(yīng)對(duì)系統(tǒng)減量的貢獻(xiàn)為31.04%。RPLB-MF