生物炭阴极微生物电解池梯级处理污泥

摘要

我国的城市污水处理厂排放量了大量的剩余活性污泥，污泥中含有大量的有机物、氮磷以及有毒有害物质，采用厌氧发酵技术产甲烷能够有效地回收污泥中的生物质能，杀死病原体，实现污泥的减量化、稳定化和资源化。厌氧发酵的水解速率较低，而利用微生物电解池（MEC）能够有效地解决以上问题。目前MEC的应用主要受到以下两个因素限制，一是阴极昂贵的催化剂；二是扩大化MEC处理污泥的研究较少。
　　本研究对污泥进行梯级处理，利用廉价易得的生物炭作为阴极材料，生物炭由MEC出水污泥制备而来，同时采用最新的物理化学分析手段，研究原材料对生物炭性质的影响。利用体积为4 L的完全混合式MEC（CS-MEC）进行扩大化研究，通过调节MEC外加电压、转速和污泥浓度，优化运行参数，提高MEC产甲烷性能。
　　首先考察了污泥、玉米秸秆以及它们的混合物生物炭作为MEC的阴极材料处理污泥产氢的可能性。研究发现，外加电压为0.9 V时，进水可溶性化学需氧量（SCOD）为1300 mg/L，污泥和玉米秸秆质量比为1:3的生物炭（S25-C75）产氢性能最佳，最大产氢速率为1.17±0.23m3-H2/m3/d与Pt/C（1.19±0.16 m3-H2/m3/d）和活性炭（1.18±0.15 m3-H2/m3/d相当，能量效率ηE（120.27±12.46%）比Pt/C和活性炭分别高出11.53%和37.91%，而阴极制备成本仅占 Pt/C和活性炭的19.6%和121%。进一步提高底物浓度到SCOD为3000 mg/L，S25-C75阴极MEC的最大产氢速率达到最大值，为1.33±0.08 m3-H2/m3/d。
　　扫描电镜、比表面积和元素分析结果显示，玉米秸秆生物炭富含微孔，比表面积和碳氮元素含量最大。拉曼光谱、X射线衍射和阴极极化曲线分析表明污泥生物炭石墨化程度和催化活性高，但导电差。将污泥和玉米秸秆混合后生物炭的性能得到提高，MEC阴极材料的产氢性能受比表面积、导电性和催化活性等多种因素影响。S25-C75综合了污泥和玉米秸秆生物炭的优势，因此产氢特性最佳。
　　成功将生物炭应用于微型MEC产氢后，将S25-C75阴极应用于CS-MEC中处理污泥产甲烷的特性，并继续考察不同运行参数条件的影响。提高转速会提高溶液传质能力。提高外加电压会促进质子的转移和还原，从而提高污泥水解效率。提高污泥浓度会促进微生物代谢活性，提高有机物去除能力。最佳操作条件为转速200 rpm，电压0.6 V，底物COD浓度4559±260 mg/L。该条件下COD去除效率为61.7%，最大甲烷产生速率为0.08 m3/m3/d。
　　因此利用MEC处理污泥产生一定能量，然后将MEC出水污泥制备成生物炭并作为MEC阴极材料梯级处理污泥，能达到“以废治废”的目的，实现污泥的资源化、稳定化和减量化，有一定的应用前景。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究背景、目的和意义

1.3 污泥处理现状

1.4 微生物电解池

1.5 研究内容

1.6 技术路线

第2章 实验材料和方法

2.1 电极的制备

2.2 MEC启动与运行

2.3 MEC性能评价方法

2.4 气体的检测与分析

2.5 水处理检测分析

2.6 生物炭特性分析

第3章 MEC处理污泥产氢和生物炭性质表征

3.1 引言

3.2 微型MEC的启动

3.3 生物炭阴极MEC处理污泥产氢

3.4 不同进水浓度对S25-C75阴极MEC产氢的影响

3.5 生物炭的物理化学性质

3.6 阴极材料成本分析

3.7 本章小结

第4章 CS-MEC处理污泥产甲烷及操作条件的优化

4.1 引言

4.2 CS-MEC的启动

4.3 操作条件对CS-MEC处理污泥产甲烷影响

4.4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

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致谢

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