生物電化學(xué)系統(tǒng)處理藻渣及其產(chǎn)電效能研究.pdf

1、目前,我國(guó)水污染物排放總量明顯超過水環(huán)境承載力,水體污染嚴(yán)重。其中表現(xiàn)最突出的一個(gè)問題就是水體富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重。而富營(yíng)養(yǎng)化最直接的后果就是引起藻類和其他水生植物的大量繁殖,形成水華。在給水廠中,對(duì)于含藻水的處理一直圍繞著如何經(jīng)濟(jì)有效的除藻及減少處理過程中產(chǎn)生的藻類副產(chǎn)物展開。而很少?gòu)脑孱愘Y源回收利用的角度上來考慮如何更好地利用這部分處理過程中產(chǎn)生的廢棄藻渣。我們可以借鑒海洋藻類資源利用和對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體藻類資源開發(fā)利用的經(jīng)驗(yàn),對(duì)給水廠中處

2、理工藝產(chǎn)生的藻渣給予合理的利用,轉(zhuǎn)化為能量,而回收這部分能量又可以為水廠帶來收益,最終達(dá)到“變廢為寶”的目的。生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)是近幾年發(fā)展起來的新型的生物處理方法,可以在降解有機(jī)物的同時(shí)回收電能。本文圍繞著藻渣在生物電化學(xué)系統(tǒng)中的降解效能、產(chǎn)電性能和能量回收、降解前后組分和結(jié)構(gòu)的變化、及藻渣中有機(jī)物與副產(chǎn)物的生成關(guān)系等方面展開研究。
　　首先研究了藻渣的主要成分藻及其代謝產(chǎn)物,包括藻胞內(nèi)有機(jī)物和胞外有機(jī)物的性質(zhì)及藻類副產(chǎn)物

3、,包括消毒副產(chǎn)物、嗅味物質(zhì)和藻毒素的生成規(guī)律。結(jié)果表明,藻分泌的胞外有機(jī)物較少,大部分有機(jī)物都存在藻細(xì)胞內(nèi)部。在組成上,蛋白、碳水化合物是藻胞外有機(jī)物(EOM)的主要成分;蛋白是藻胞內(nèi)有機(jī)物的主要成分(IOM)。在結(jié)構(gòu)上,EOM比IOM中含有更多小分子量物質(zhì);IOM比EOM含有更多的芳香環(huán)化合物、以及蛋白、氨基酸類物質(zhì)。不同時(shí)期藻胞內(nèi)外有機(jī)物中蛋白、碳水化合物和脂類的比例分配決定三鹵甲烷(THMs)的生成。當(dāng)水中有溴離子存在時(shí),恒定初始

4、Br-/Cl2,藻胞內(nèi)外有機(jī)物THMs生成及分配主要受Br-/TOC摩爾比值影響。藻毒素MC-LR和嗅味物質(zhì)2-MIB的生成主要受藻密度影響,穩(wěn)定期和衰亡期生成量最多。
　　研究了生物電化學(xué)系統(tǒng)對(duì)藻渣的降解效能。比較了超聲預(yù)處理、熱堿預(yù)處理、堿預(yù)處理對(duì)藻渣中有機(jī)物的水解及釋放可溶性有機(jī)物的效果,熱堿處理優(yōu)于堿處理、更優(yōu)于超聲處理。對(duì)比生物電化學(xué)系統(tǒng)對(duì)原藻渣和堿處理后藻渣中有機(jī)物的降解效能。堿處理后,SCOD、可溶性的蛋白、可溶性碳

5、水化合物濃度均增加了三倍多。生物電化學(xué)系統(tǒng)對(duì)藻渣中可溶性有機(jī)物中各參數(shù)都有很好地去除效果,各參數(shù)去除率為碳水化合物>COD>UV254>蛋白>TOC。微生物在高負(fù)荷條件下對(duì)底物降解的更徹底,去除率更高。當(dāng)高負(fù)荷低負(fù)荷藻類有機(jī)物交替運(yùn)行時(shí),從低濃度轉(zhuǎn)化到高濃度運(yùn)行時(shí),微生物需要適應(yīng),對(duì)底物降解有所影響。利用DOC、SUVA、分子量、紫外可見光譜、三維熒光光譜、測(cè)定蛋白和碳水化合物含量等方法考察了生物電化學(xué)系統(tǒng)(閉路、開路)、厭氧控制三種不

6、同操作條件下的進(jìn)水和出水藻渣中有機(jī)物的組分及結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明,三種不同操作條件下藻渣有機(jī)物降解前后都是親水性、含較少芳香環(huán)和雙鍵結(jié)構(gòu)的化合物,且不同條件下的出水中有機(jī)物分子量都呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。蛋白、碳水化合物和THMs前體物的去除均為生物電化學(xué)系統(tǒng)閉路狀態(tài)最好,其次是厭氧控制試驗(yàn),生物電化學(xué)系統(tǒng)開路狀態(tài)效果最差。利用牛血清蛋白、葡萄糖和魚油三種純物質(zhì)計(jì)算蛋白、碳水化合物和脂類三種組分各自對(duì)藻類有機(jī)物中三鹵甲烷生成勢(shì)(THMFP)的貢獻(xiàn)

7、。結(jié)合三維熒光光譜技術(shù)、對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)期的藻類有機(jī)物生物電化學(xué)降解前后的熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,三種熒光解析方法(熒光強(qiáng)度、熒光區(qū)域面積、平行因子)獲得的熒光參數(shù)與THMFP均有很強(qiáng)的線性相關(guān)性。
　　在產(chǎn)電性能和電能回收方面,堿處理后的藻渣的峰值電壓比原藻渣更大,且達(dá)到峰值電壓更快。堿預(yù)處理藻渣比原藻渣獲得更多的能量收益,這部分收益能抵消使用堿處理藥劑產(chǎn)生的費(fèi)用支出。功率密度隨著藻渣中可溶性有機(jī)物濃度的增加而增加,最大的功率密度可達(dá)到7

8、.86W/m3。由于生物電化學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同組分物質(zhì)降解能力的差異,不同生長(zhǎng)時(shí)期的藻類和不同的藻種對(duì)產(chǎn)電性能都有影響。操作條件也會(huì)影響產(chǎn)電性能。研究表明,溫度會(huì)影響陽(yáng)極室微生物的生長(zhǎng)活性和代謝速率,從而影響陽(yáng)極電位和整個(gè)系統(tǒng)的產(chǎn)電性能。攪拌能提高傳質(zhì)效率,使微生物利用底物的速率加快,縮短三分之二的運(yùn)行時(shí)間。加入電子中介體后微生物活性增強(qiáng),輸出電壓和功率密度都得到提高?；?6SrRNA基因克隆文庫(kù)系統(tǒng)發(fā)育分析可知在陽(yáng)極生物膜上有大量的產(chǎn)電菌