零价铁强化剩余污泥MFC有机污染物降解及产电效能

摘要

随着污水处理率的提高，活性污泥法作为广泛采用的污水处理工艺，每年产生了大量的剩余污泥，使剩余污泥的处理处置已成为亟需解决的环境问题。剩余污泥的资源化利用与剩余污泥中有机污染物的强化去除也是近年来研究的热点问题。本文将剩余污泥微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）与厌氧零价铁强化技术相结合，构建了零价铁强化剩余污泥MFC系统，通过设定梯度的零价铁投加量并选择还原铁粉、废铁屑、纳米铁粉三种零价铁形态，结合有机污染物去除规律与特性、电化学性能及阳极微生物群落分析对零价铁强化剩余污泥MFC系统进行了系统的研究。
　　研究结果表明，投加零价铁能够有效强化剩余污泥MFC的产电性能与有机污染物去除效能。在产电上，投加10g/L还原铁粉能将MFC的最大功率密度提升至33.34mW/m2，相比对照组提高了78.77%；而在有机污染物去除上，零价铁能够在MFC运行的0~10d促进污泥的水解，迅速释放SCOD（Soluble chemical oxygen demand，SCOD）。经过60d的运行，在20g/L的零价铁投加量下获得了最大的TCOD（Total chemical oxygen demand，TCOD）与VS（Volatile solid，VS）去除率，相比对照组分别提高了19.54%与11.00%，但与投加量为10g/L时相差不大。因此，10g/L可作为最佳的零价铁投加量。除此之外，零价铁的投加还能对阳极污泥的pH与ORP（Oxidation reduction potential，ORP）进行调节，并有助于产电微生物的富集。
　　在10g/L的零价铁投加量下，对比研究了还原铁粉、废铁屑、纳米铁粉三种不同形态零价铁对剩余污泥 MFC系统强化的差异。结果表明，纳米铁粉能够将MFC的最大功率密度由投加还原铁粉的32.03mW/m2提升至37.20mW/m2，并能够有效地降低 MFC电子传递电阻至2.014Ω，有效地提高了阳极的电子传递能力，但仅在投加的初期对产电具有较强的促进作用。而投加废铁屑则对MFC的产电性能的提升较小，最大功率密度为25.95mW/m2，相比对照组提升了41.03%。同时，投加还原铁粉能够使阳极具有较低的电子传递电阻与最高双电层电容，具有最佳的电化学性能。投加不同形态的零价铁对有机污染物降解与污泥减量的促进效果相差不大，均较对照组有较高的提升。这一促进效果主要来源于零价铁对污泥中总蛋白去除的强化。
　　对零价铁强化剩余污泥MFC微生物学机制的分析表明，零价铁对产电微生物的富集具有积极作用，并会致使阳极生物膜与污泥微生物群落结构表现出一定的差异性。在功能基因水平上零价铁能够提高蛋白氨基酸降解相关功能基因丰度，促进污泥中蛋白的去除；提高细胞色素 C相关功能基因丰度，促进 MFC阳极产电微生物的直接电子传递。零价铁厌氧腐蚀溶出的 Fe2+也可能作为电子介体，促进了阳极的间接电子传递。此外，污泥 TCOD的去除与 MFC电能输出之间具有良好的线性关系，零价铁对MFC产电与有机污染物去除的强化作用具有相关性。
　　研究分析表明，通过外源投加零价铁，能够显著提高剩余污泥MFC的产电及污泥有机污染物去除效能。该方法操作简单，效果明显，为剩余污泥的处理处置与MFC电能输出的提升提供了一种新途径。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 剩余污泥的产生与处理处置技术

1.3 微生物燃料电池研究现状

1.4 零价铁强化技术研究现状

1.5 零价铁强化剩余污泥微生物燃料电池可行性分析

1.6 课题研究内容

第2章 实验材料和方法

2.1 实验原料

2.2 微生物燃料电池系统的构建与启动

2.3 实验仪器设备

2.4 产电及电化学指标分析方法

2.5 污泥分析方法

2.6 MFC阳极微生物分析方法

第3章 零价铁投加量对剩余污泥MFC效能的影响

3.1 引言

3.2 零价铁投加梯度的确定

3.3 零价铁对剩余污泥MFC启动的影响

3.4 零价铁对剩余污泥MFC产电性能的影响

3.5 零价铁对剩余污泥MFC阳极污泥pH与ORP的影响

3.6 零价铁对剩余污泥MFC有机污染物降解效能的影响

3.7 零价铁对剩余污泥MFC阳极微生物群落结构的影响

3.8 本章小结

第4章 不同形态零价铁对剩余污泥MFC效能影响

4.1 引言

4.2 不同形态零价铁对剩余污泥MFC产电性能的影响

4.3 不同形态零价铁对剩余污泥MFC阳极污泥pH与ORP的影响

4.4 不同形态零价铁对剩余污泥MFC有机污染物降解效能的影响

4.5 不同形态零价铁对剩余污泥MFC有机污染物降解特性分析

4.6 本章小结

第5章 零价铁强化剩余污泥MFC微生物学机制

5.1 引言

5.2 MFC阳极微生物群落结构及功能分析

5.3 MFC阳极微生物膜宏基因组分析

5.4 剩余污泥MFC有机物降解与产电性能关系分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢