剩余污泥為燃料的微生物燃料電池產(chǎn)電特性及污泥減量化研究.pdf

1、微生物燃料電池(MFC)是一種利用附著在陽極電極表面微生物的代謝過程，將蘊(yùn)含在有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。由于其可在處理廢水的同時(shí)產(chǎn)生電能，已成為環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。剩余活性污泥主要由懸浮的污泥絮體構(gòu)成，而絮體是由大量的分散微生物細(xì)菌通過胞外聚合物(EPS)、陽離子和其他細(xì)顆粒架橋而組成，其中有機(jī)物占污泥總量的60％以上。這些均可作為MFC的潛在基質(zhì)。采用剩余污泥為燃料，通過MFC技術(shù)實(shí)現(xiàn)在污泥厭氧消化處理的同時(shí)

2、實(shí)現(xiàn)電能回收，將成為一種新穎的剩余污泥處理技術(shù)。剩余污泥中有機(jī)物大部分為細(xì)胞物質(zhì)，產(chǎn)電微生物要利用這些物質(zhì)，首先必須進(jìn)行破胞，將胞內(nèi)物質(zhì)釋放出來，使之轉(zhuǎn)化為溶解性物質(zhì)。而對(duì)于MFC體系內(nèi)的污泥水解過程和產(chǎn)電規(guī)律的關(guān)系目前未有研究，同時(shí)污泥強(qiáng)化水解作用和產(chǎn)電特性的關(guān)系仍有待探討。據(jù)此，本研究采用城市污水處理廠剩余污泥作為燃料，結(jié)合污泥水解方法(厭氧水解、微波強(qiáng)化水解和外加酶強(qiáng)化水解)和MFC技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)電特性和污泥減量化研究。
　　

3、 剩余污泥為燃料MFC(SMFC)獲得了成功的啟動(dòng)。SMFC最大功率輸出為294.5mW/m2，內(nèi)阻為247.85Ω，庫(kù)侖效率(CE)為4.7％。經(jīng)處理后，污泥中TCOD去除率為26.2％，TSS去除率為24.7％，VSS去除率為32.5％。隨著氯化鈉投加量的增加，SMFC內(nèi)阻逐步降低，功率密度則逐步增加。當(dāng)污泥稀釋比增加時(shí)，SMFC內(nèi)阻降低，但功率密度為先上升后下降，功率密度輸出下降主要是由于稀釋比例過大，導(dǎo)致基質(zhì)濃度過低，影響了陽極

4、微生物的生長(zhǎng)。攪拌有利于改善SMFC內(nèi)物質(zhì)的傳遞，從而增加功率輸出。溫度對(duì)SMFC的產(chǎn)電特性影響較明顯，但在一定區(qū)間內(nèi)(如20℃和25℃；30℃和40℃：45℃和50℃)變化不明顯，說明產(chǎn)電微生物有一定的溫度適應(yīng)范圍，這也可能是在不同溫度下產(chǎn)電微生物也不同導(dǎo)致。污泥中的微生物競(jìng)爭(zhēng)作用是影響SMFC產(chǎn)電效率的主要因素。SMFC運(yùn)行過程中陰極氧向溶液中的傳遞并沒有對(duì)功率輸出產(chǎn)生明顯影響，主要是由于系統(tǒng)中非產(chǎn)電微生物的作用和陽極附著物的保護(hù)作

5、用。研究表明，SMFC中污泥厭氧消化主要控制在水解階段。SMFC內(nèi)阻組成主要由陽極電阻、陰極電阻和電解液電阻組成。
　　 微波強(qiáng)化剩余污泥為燃料MFC(MSMFC)電壓輸出先上升后緩慢下降，產(chǎn)電周期為666h。MSMFC最大功率輸出為343.41mW/m2，內(nèi)阻為146.80Ω。微波時(shí)間和微波功率的延長(zhǎng)均促進(jìn)了污泥中SCOD增加，MSMFC功率密度隨著微波時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，但隨著微波功率的增加先增加后下降。CE隨著微波時(shí)間或微波

6、功率的增加而減小。在微波時(shí)間為300s，功率為720W，微波對(duì)污泥的破解能力最強(qiáng)(SCOD為1194mg/L)，產(chǎn)生的功率密度最大(163.33m W/m2)，且其CE居中(76.7％)。MSMFC系統(tǒng)內(nèi)陽極表面微生物和電解液微生物均以球狀細(xì)菌為主。MSMFC中陽極內(nèi)阻占主要部分，其次為陰極內(nèi)阻，電解液電阻最小。MSMFC內(nèi)微量的溶解氧水平將有利于有機(jī)物的分解(發(fā)酵分解和好氧氧化)，抑制產(chǎn)甲烷化過程，提高功率密度和CE。
　　

7、研究外加酶強(qiáng)化污水為燃料MFC(ESMFC)產(chǎn)電特性時(shí)，外加酶(蛋白酶、淀粉酶)的投加促進(jìn)了污泥水解，提高了MFC產(chǎn)電特性，投加蛋白酶、淀粉酶時(shí)ESMFC能量密度增加分別在52％、8％以上。而在酶投加10mg/g的情況下，相對(duì)于參照組ESMFC最大功率密度輸出增加最大，投加蛋白酶、淀粉酶時(shí)分別增加174％、36％。運(yùn)行溫度對(duì)ESMFC產(chǎn)電性能的提高也較明顯，但相對(duì)于酶的促進(jìn)作用來說，40℃時(shí)投加淀粉酶和蛋白酶對(duì)ESMFC功率密度輸出的促

8、進(jìn)作用最為明顯，投加蛋白酶、淀粉酶時(shí)分別增加174％、66％。在外加酶強(qiáng)化作用下，污泥水解效果明顯，TCOD去除率均在60％以上，VSS去除率在70％以上，處理后的污泥中VSS/TSS值均明顯降低。當(dāng)?shù)鞍酌福旱矸勖副壤秊?:3時(shí)，ESMFC最大功率密度輸出最大，為775.21mW/m2，CE也最大，為10.58％。
　　 在研究三種不同處理方式污泥為燃料MFC產(chǎn)電特性對(duì)比分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，ESMFC產(chǎn)電周期最長(zhǎng)，為41d，功率密度最大