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回流式无膜生物阴极微生物燃料电池脱氮及污泥减量研究

作　者: 王龙
导　师: 赵庆良
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 环境科学与工程
关键词: 回流式无膜生物阴极微生物燃料电池（RPLB-MFC） 生活污水 有机物降解 脱氮 污泥减量化 生物产电
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


氮素污染是与人类生活水平改善及人口膨胀伴生的重大环境污染问题。其中影响最大的必然归于水体富养化。伴随着污水有机质的去除，微生物必然会进行相当量的合成代谢，生成大量细胞废弃物，造成剩余污泥积累。大量污泥得不到有效处置，污泥的消纳正成为一个新的社会和环境问题。针对有效提高脱氮效率、实现污泥减量化及降低MFC运行成本，设计了一种新型的回流式无PEM膜生物阴极微生物燃料电池（RPLB-MFC）。本文基于RPLB-MFC系统，以A2/O系统为对照研究了RPLB-MFC启动期和稳定运行期的水处理效果及产电特性。针对脱氮效果，考察了RPLB-MFC及其对照在不同荷载下的氮素变化规律及电促脱氮的机理。针对污泥减量，研究了不同产电条件下RPLB-MFC系统剩余污泥的减量效果，探究了电促减量的机理。最后探究了RPLB-MFC产电、脱氮及污泥减量化之间的关系。研究表明，RPLB-MFC启动期耗时24h，稳定后输出电压为0.53V启动过程与系统内微生物生长状况有关。RPLB-MFC进入稳定期后阳极电位保持在-0.46V，阴极电位稳定在0.7V，稳定运行下的内阻为406.8Ω，最大输出功率密度为0.2019W/m3，相应的库伦效率为0.39%。RPLB-MFC获得了较好的水处理效果，COD去除率稳定在85%以上，氨氮去除率稳定在75%。RPLB-MFC零载荷下稳定运行，出水NO3-N比A2/O系统平均减少19.46%，NO2-N比A2/O增加16.67%，TN去除率相对A2/O提高了8.17%。RPLB-MFC系统的产电过程抑制NO3-N积累，促NO2-N生成，降低环境ORP，利于反硝化。MFC零载荷下变换回流比，R增大则RPLB-MFC系统中TN去除率先增后减，R=1时TN去除率达到最大值40.83%。较不设回流的MFC系统，系统内阻降低27.3Ω，最大功率提高23.4mW/m3。RPLB-MFC系统改变荷载进行电促脱氮试验，Rex=400Ω、9999Ω时分别代表向外输电0.2253W/m3及0.0062W/m3。Rex=400Ω、9999Ω条件下NH3-N去除率为93.6%、94.17%。Rex400Ω试验组抑制了NO3-N的排放，而NO2N生成率较后者提高33.12%，产电明显促进NO2-N生成，TN去除率为49.52%，较后者提高10.29%，产电促进了TN去除。RPLB-MFC及A2/O缺氧室混合液中的反硝化菌活菌数分别约为5.5×105个/mL及3.5×105个/mL。RPLB-MFC系统阴极回流液ORP维持在55mV左右低于A2/O系统（75mV），使得MFC系统缺氧段ORP最终维持在﹣90mV左右，显著低于A2/O系统（﹣40mV），为MFC反硝化菌提供更好的反硝化环境。零载荷下RPLB-MFC阴极室每日MLSS平均增量为54mg/L，Yobs为0.1462KgVSS/KgCOD、Y值为0.2548，RPLB-MFC系统产电促阴极室污泥减量效力为12.3%，抑制合成代谢效力为7.21%；工艺设计促减量效果力为29.27%，抑制合成效力为29.11%。变换载荷，Rex=400Ω及9999Ω对应输出功率分别为0.2253W/m3及0.0062W/m3， RPLB-MFC阴极室Yobs均值分别为0.1291KgVSS/KgCOD，0.1572KgVSS/KgCOD，Y值为0.2452及0.2708。RPLB-MFC增大输出功率可提供17.88%的污泥减量增量及9.45%的合成抑制增量，RPLB-MFC阴极室最佳减量效力为45.23%，最佳抑制污泥合成效力为38.72%。Rex400Ω及9999Ω试验各自促使RPLB-MFC系统产电性能变化，系统最大输出电压各自变为0.532V及0.471V，最大输出功率密度为0.2483W/m3及0.1478W/m3，库伦效率为0.46%及0.37%。400Ω负载时系统内阻较零负载和最大负载分别降低18.2Ω及66.8Ω。集泥斗污泥Yobs即RPLB-MFC总Yobs为0.0809，总减量效果为72.61%。RPLB-MFC集泥斗中其他促减量反应对系统减量的贡献为31.04%。RPLB-MFC脱氮性能、污泥减量性能以及产电性能两两之间具有相互促进关系。RPLB-MFC对于A2/O，污泥EPS增多，其EBOM中的荧光性物质为可溶性微生物细胞产物，HPO及TPI中存在有助于RPLB-MFC中细菌电子传递的腐植酸类有机质。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-13
第1章 绪论  13-23
  1.1 环境与能源问题  13
  1.2 微生物燃料电池  13-16
    1.2.1 基本原理与发展  13-14
    1.2.2 电能利用  14-15
    1.2.3 构型与设计  15-16
  1.3 脱氮技术  16-17
    1.3.1 传统硝化反硝化  16-17
    1.3.2 脱氮新技术  17
  1.4 污泥减量化技术  17-21
    1.4.1 污泥减量理论  18-19
    1.4.2 污泥减量技术  19-21
  1.5 课题研究意义及内容  21-23
    1.5.1 研究目的与意义  21
    1.5.2 研究内容  21-22
    1.5.3 技术路线图  22-23
第2章 实验材料与方法  23-29
  2.1 引言  23
  2.2 实验装置  23-25
    2.2.1 RPLB-MFC 系统结构  23-24
    2.2.2 电极材料的处理  24
    2.2.3 实验仪器  24-25
  2.3 实验方法  25-26
    2.3.1 RPLB-MFC 系统的接种与启动  25
    2.3.2 污泥有机物提取与分级  25-26
  2.4 分析方法  26-27
    2.4.1 主要指标测定  26
    2.4.2 电化学测定  26-27
    2.4.3 集泥斗污泥有机质分析  27
    2.4.4 细菌 MPN 法计数  27
  2.5 计算方法  27-29
    2.5.1 极化曲线及内阻  27-28
    2.5.2 系统功率密度  28
    2.5.3 库伦效率  28-29
第3章 RPLB-MFC 启动及稳定运行  29-35
  3.1 引言  29
  3.2 RPLB-MFC 系统的水处理流程  29
  3.3 RPLB-MFC 系统接种与启动  29-32
    3.3.1 反应器接种  29-30
    3.3.2 反应器启动电位  30-31
    3.3.3 反应器启动期 COD 的变化  31-32
  3.4 稳定运行  32-33
    3.4.1 稳定运行电位  32
    3.4.2 稳定运行初期水处理效果  32-33
  3.5 RPLB-MFC 稳定期电学特性  33-34
  3.6 本章小结  34-35
第4章 RPLB-MFC 脱氮效果研究  35-50
  4.1 引言  35
  4.2 RPLB-MFC 系统与 A~2/O 系统的稳定运行的比较  35-40
    4.2.1 系统 COD 去除效果对比  36
    4.2.2 系统 NH3-N 的变化  36-37
    4.2.3 系统 NO3-N 的变化  37-38
    4.2.4 系统 NO2-N 的变化  38-39
    4.2.5 系统 TN 去除效果  39-40
  4.3 RPLB-MFC 脱氮过程中的电化学特性  40-41
  4.4 不同回流比下的脱氮效率  41-42
  4.5 RPLB-MFC 产电强化脱氮研究  42-46
    4.5.1 Rex 分别为 400Ω和 9999Ω时的 NH3-N 去除效果  42-44
    4.5.2 Rex 分别为 400Ω和 9999Ω时的 NO3-N 的变化  44
    4.5.3 Rex 分别为 400Ω和 9999Ω时的 NO2-N 变化  44-45
    4.5.4 Rex 分别为 400Ω和 9999Ω时的 TN 变化  45-46
  4.6 反硝化菌 MPN 法计数  46-47
  4.7 ORP 及强化脱氮机理  47-49
  4.8 已研究内容小结  49-50
第5章 RPLB-MFC 污泥减量效果研究  50-78
  5.1 引言  50
  5.2 RPLB-MFC 系统阴极及 A~2/O 好氧室污泥性质  50-52
    5.2.1 阴极污泥 MLSS、COD、SV%的分析  51
    5.2.2 阴极污泥污泥中的糖类和蛋白质  51-52
  5.3 MFC 阴极室污泥减量的对比研究  52-59
    5.3.1 RPLB-MFC 系统阴极室排泥前后的污泥浓度  53
    5.3.2 A~2/O 曝气室排泥前后的污泥浓度  53-54
    5.3.3 连续流反应器排泥前后的污泥浓度  54-55
    5.3.4 RPLB-MFC 阴极、A~2/O、连续流反应器污泥增量  55-57
    5.3.5 RPLB-MFC 阴极、A~2/O、连续流反应器 Yobs 研究  57-58
    5.3.6 RPLB-MFC 阴极、A~2/O、连续流反应器合成速率 Y 值对照  58-59
  5.4 RPLB-MFC 电促污泥减量研究  59-63
    5.4.1 Rex 为 400Ω及 9999Ω时 RPLB-MFC 系统 VSS  59-60
    5.4.2 Rex 为 400Ω及 9999Ω时 RPLB-MFC 系统 Yobs  60-61
    5.4.3 Rex 为 400Ω及 9999Ω时 RPLB-MFC 系统合成产率 Y  61-62
    5.4.4 RPLB-MFC 阴极室及 A~2/O 污泥减量效果分析  62-63
  5.5 设置污泥斗工艺发生的系统剩余污泥减量反应  63-67
    5.5.1 污泥衰减  63-64
    5.5.2 维持代谢和內源呼吸  64-65
    5.5.3 MFC 反应器中发生低污泥产率的厌氧反应  65
    5.5.4 反应器中微型动物捕食作用  65-66
    5.5.5 RPLB-MFC 工艺系统总剩余污泥减量效果  66-67
  5.6 外阻 400Ω与 9999Ω脱氮及污泥减量实验的电学特性  67-69
    5.6.1 功率密度、极化曲线及库伦效率  67-68
    5.6.2 零电阻运行和外阻分别为 400Ω与 9999Ω运行时的内阻变化图  68-69
  5.7 MFC 产电、脱氮及污泥减量相互促进关系  69-71
  5.8 系统剩余污泥组分分析  71-76
    5.8.1 总有机碳含量分布  71-72
    5.8.2 荧光性特征  72-76
  5.9 本章小结  76-78
结论  78-80
参考文献  80-85
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  85-87
致谢  87

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 废水的处理与利用
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