新型滴滤式生物阴极微生物燃料电池的同步污水处理及产能研究

摘要

人口、资源与环境是困扰当今世界各国可持续发展的三大难题。微生物燃料电池(microbial fuel cell,简称MFC),利用微生物作为催化剂,将污水中的有机物以化学能方式直接转化为电能,是一种集污水净化和产电为一体的创新性污水处理技术。其研究,可望为化解世界能源危机提供一种全新的能源,为水环境污染治理提供一项高效低耗的污水处理技术。
　　 首次将滴滤原理引入微生物燃料电池的阴极,设计了一种新型滴滤式生物阴极微生物燃料电池。通过在阳极室和阴极室分别接种污水处理厂二沉池厌氧污泥和曝气池好氧污泥,进水水质采用人工配水,运行方式采用间歇式,实现了滴滤式生物阴极。MFC的启动和稳定产电,证明了生物阴极采用滴滤方式充氧的可行性,达到了阴极能自然充氧而无需额外机械曝气的节能研究目标。在间歇式运行滴滤MFC的溶解氧和循环流量研究的基础上,系统考察了连续式运行滴滤MFC:分析其产电及污水处理的效率受不同停留时间的影响;比较了采用活性炭和碳毡两种不同电极材料的差异:分析了长期运行后的分隔膜污染情况;利用16S rRNA测序鉴定出滴滤生物阴极的微生物群落结构和优势菌株;实现了滴滤MFC直接利用连续式实际生活污水产电,达到了低能耗处理连续实际生活污水并回收电能的目标。研究结果表明:
　　 (1)间歇式滴滤生物阴极MFC靠自然充氧可以实现启动和稳定产电,其阴极的自然充氧效果良好,阴极出水DO保持在3.6 mg/L以上,最佳阴极循环流量为120 mL/min,总内阻为7.7Ω,功率密度可达91.2 W/m3:
　　 (2)在阳极串联阴极的连续式运行条件下,滴滤MFC的最大功率密度为118.1 W/m3,最小内阻为7.9 Q。停留时间是影响连续式滴滤MFC污水净化和产能的重要因素,在最佳停留时间15 h下,最大功率密度为87.4 W/m3,COD去除率高达90.6％,出水COD=57.0 mg/L,氨氮＜1 mg/L,可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的国家一级B标准;
　　 (3)滴滤式生物阴极的微生物群落主要由4大类组成,其中,优势菌类为γ-proteobacteria,占一半以上的优势菌株为Acinetobacter calcoaceticus;
　　 (4)滴滤MFC可以直接处理连续实际生活污水。尽管其功率输出低于自配水,最大功率密度为28.6 W/m3,总内阻为25.1Ω,但是能够有效去除有机物,COD去除率为86%,氨氮去除率为92%。