超聲―微生物燃料電池處理污泥性能及有機(jī)物組分變化.pdf

1、針對(duì)全球能源短缺和傳統(tǒng)污泥處理處置過(guò)程中能耗高、污泥停留時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，本文引入微生物燃料電池（Microbial fuel cell, MFC）技術(shù)，在處理剩余污泥的同時(shí)將污泥中的化學(xué)能以電能的形式回收，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用。
　　采用經(jīng)典雙室微生物燃料電池，對(duì)以剩余污泥為底物的微生物燃料電池的產(chǎn)電性能及污泥降解效果進(jìn)行研究?？疾礻?yáng)極底物及陰極溶液性質(zhì)、污泥預(yù)處理方式對(duì) MFC性能的影響。研究污泥有機(jī)物組分經(jīng)超聲預(yù)處理和MFC處理

2、后的特征變化，揭示貢獻(xiàn)于超聲-微生物燃料電池產(chǎn)電的污泥有機(jī)組分特征。
　　對(duì)以污泥為底物的微生物燃料電池的啟動(dòng)運(yùn)行及影響因素研究表明，以鐵氰化鉀為電子受體的雙室微生物燃料電池可以直接利用剩余污泥為底物實(shí)現(xiàn)電能輸出。MFC運(yùn)行250 h，電壓穩(wěn)定輸出為0.69 V，污泥 TCOD（Total chemical oxygen demand, TCOD）去除率為46.4％。陽(yáng)極區(qū)攪拌、緩沖溶液投加、陰極曝氣對(duì)以污泥為底物的MFC性能影響

3、不顯著。陰極電解液濃度增加和陽(yáng)極底物中性條件可提高M(jìn)FC電能輸出和污泥降解效果。
　　污泥預(yù)處理對(duì)微生物燃料電池性能影響的研究表明，污泥有機(jī)質(zhì)溶出率隨超聲聲能密度的增加和作用時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。投堿量的增加和堿處理時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)促進(jìn)污泥有機(jī)質(zhì)溶出，超聲加堿組合工藝對(duì)污泥預(yù)處理效果最好。超聲、堿和超聲加堿預(yù)處理均可有效地提高以污泥為底物的MFC系統(tǒng)對(duì)污泥的降解效果，預(yù)處理后污泥 TCOD去除率均超過(guò)50%（5-d），揮發(fā)性固體去除率均超

4、過(guò)53%（5-d）。由于預(yù)處理后污泥溶解性物質(zhì)含量高，對(duì)以污泥為底物的MFC系統(tǒng)電能輸出影響達(dá)到飽和，功率密度僅從10.3 W/m3升高到11.9 W/m3。
　　對(duì)污泥有機(jī)組分經(jīng)超聲處理后的特征變化研究表明，超聲處理可增加污泥上清液 DOM（Dissolved organic matter）和EBOM（Extracellular biological organic matter）中DOC的含量，提高污泥可生物降解性。污泥 EB

5、OM中HPO-A組分是污泥中芳香性物質(zhì)的主要貢獻(xiàn)者。高聲能密度超聲處理更利于污泥 EBOM中芳香類化合物的水解。溶解性微生物產(chǎn)物和芳香性蛋白質(zhì)是污泥熒光性物質(zhì)的主要組成部分。低聲能密度超聲處理優(yōu)先促進(jìn)芳香性蛋白質(zhì)類物質(zhì)溶出，高聲能密度超聲處理促進(jìn)芳香性蛋白質(zhì)和溶解性微生物產(chǎn)物大量溶出。污泥有機(jī)物組分中可見(jiàn)腐植酸類物質(zhì)熒光團(tuán)，該類物質(zhì)的存在利于MFC系統(tǒng)中由陽(yáng)極底物降解產(chǎn)生的電子向陽(yáng)極電極表面的轉(zhuǎn)移。污泥中羧酸類化合物，脂肪族化合物，蛋白

6、質(zhì)，烴類及糖類物質(zhì)含量相對(duì)較高，蛋白質(zhì)主要存在于污泥EBOM中，超聲處理促進(jìn)上述物質(zhì)水解溶出。
　　對(duì)超聲-微生物燃料電池處理污泥性能及有機(jī)物組分特征變化研究表明，超聲-MFC對(duì)污泥有機(jī)物去除顯著，TCOD去除率大于50%，電能輸出穩(wěn)定。污泥 DOM和EBOM中DOC含量經(jīng) MFC處理后分別下降69.5%和56.4%。MFC中微生物優(yōu)先水解超聲預(yù)處理污泥 EBOM中親水性組分和酸性組分中的芳香性物質(zhì)，產(chǎn)電微生物優(yōu)先利用污泥溶解性有

7、機(jī)物中的親水性和酸性物質(zhì)產(chǎn)電。高聲能密度超聲預(yù)處理污泥 EBOM中非芳香性物質(zhì)在 MFC中的水解較快。MFC優(yōu)先利用污泥 DOM中HPO-A組分中的非芳香性物質(zhì)，并對(duì)超聲處理污泥中芳香性蛋白質(zhì)和溶解性微生物產(chǎn)物具有較好的水解及去除能力。羥基化合物在低聲能密度超聲作用下絕大多數(shù)溶出，并且在 MFC系統(tǒng)中易于被去除。低聲能密度超聲作用促進(jìn)酰胺 II類蛋白質(zhì)在 MFC系統(tǒng)中的水解與降解，高聲能密度促進(jìn) MFC對(duì)酰胺 I類蛋白質(zhì)的去除。產(chǎn)電微生