凍結(jié)融溶-微生物燃料電池強(qiáng)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(jī)是當(dāng)今社會(huì)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(jī)物的同時(shí)回收電能，是一種潛在價(jià)值巨大的新興技術(shù)。針對(duì)北方寒冷地區(qū)冬季低溫漫長(zhǎng)的氣候條件，可利用自然條件對(duì)污泥進(jìn)行凍結(jié)融溶預(yù)處理。本文利用寒冷地區(qū)冬季的氣候特點(diǎn)，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(duì)其運(yùn)行效果進(jìn)行分析。
　　本文以凍結(jié)融溶作為污泥預(yù)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(duì)對(duì)剩余污泥有機(jī)物降解效果及產(chǎn)電性能。通過對(duì)優(yōu)選后的工藝各階段運(yùn)行前后陽極剩余污泥有機(jī)組分特征的分析比對(duì)，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(jī)組分變化情況。
　　對(duì)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(jī)物溶出，實(shí)現(xiàn)有機(jī)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(xué)需氧量（Soluble chemical oxygen demand,SCOD）含量變化并不明顯，而冷凍時(shí)間超過3h后，融化后SCOD含量急劇增加，說明只有當(dāng)污泥進(jìn)入固化階段后，有機(jī)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(duì)較高（本實(shí)驗(yàn)-5℃）而固化階段的環(huán)境溫度相對(duì)較低（本實(shí)驗(yàn)-20℃），且固化時(shí)間越長(zhǎng)（本實(shí)驗(yàn)不超過42h），融化后有機(jī)物溶出效果越好。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jì)冷凍48h，然后放置在室溫條件下（20℃）融化12h，對(duì)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(duì)三組凍結(jié)融溶-微生物燃料電池處理污泥時(shí)有機(jī)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(yùn)行6d時(shí)，SCOD達(dá)到峰值，

5、運(yùn)行20d時(shí)，陽極污泥總化學(xué)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(shí)達(dá)到峰值，運(yùn)行30d時(shí)，TCOD的去除率為80.6%；凍結(jié)融溶-三室生物陰極MFC運(yùn)行40d時(shí)，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(jī)物的含量，進(jìn)入MFC處理階段，較高的溶解性有機(jī)物含量又可促進(jìn)MFC中的微

6、生物對(duì)污泥有機(jī)物的水解。凍結(jié)融溶-鐵氰化鉀MFC運(yùn)行前期，MFC中的微生物對(duì)污泥中有機(jī)物進(jìn)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(gè)運(yùn)行過程中對(duì)促進(jìn)污泥中有機(jī)物溶出及對(duì)剩余污泥有機(jī)物的降解效果更好。
　　對(duì)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(yùn)行6d時(shí)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(yùn)行20d時(shí)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(yùn)行15d時(shí)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(dòng)快、沒有停滯階段的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)凍結(jié)融溶-微生物燃料電池各階段處理前后污泥有機(jī)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(jī)物（Dissolved organic matter,DOM）和污泥固相胞外生物有機(jī)質(zhì)（Extracel

8、lular biological organic matter,EBOM）中溶解性有機(jī)碳（Dissolvedorganiccarbon,DOC）的含量，提高污泥可生物降解性，促進(jìn)污泥固相中疏水性有機(jī)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(jī)物（HPI）組分和上清液中過渡親水性有機(jī)酸（TPI-A）組分出現(xiàn)較弱的腐殖酸熒光團(tuán)可促進(jìn)后續(xù)MFC產(chǎn)電。對(duì)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(yùn)行