生物炭陰極微生物電解池梯級(jí)處理污泥.pdf

1、 國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類號(hào)：X703.1 學(xué)校代碼：10213 國(guó)際圖書(shū)分類號(hào)：628.16 密級(jí)：公開(kāi) 工程 工程碩士學(xué)位論文 碩士學(xué)位論文 生物炭陰極微生物電解池梯級(jí)處理污泥 碩 士 研 究 生 ： 左文靜 導(dǎo) 師 ： 邢德峰教授 申 請(qǐng) 學(xué) 位 ： 工程碩士 學(xué) 科

2、 ： 環(huán)境工程 所 在 單 位 ： 市政環(huán)境工程學(xué)院 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 I 摘 要 我國(guó)的城市污水處理廠排放量了大量的剩余活性污泥，污泥中含有大量的有機(jī)物、 氮磷以及有毒有害物質(zhì)， 采用厭氧發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)甲烷能夠有效地回收污泥中的生物質(zhì)能，殺死病原體，實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化和資源化。厭氧發(fā)酵的水解速率較低，而利用微生物電解池（MEC）能夠有效地解決以上問(wèn)題。目前 MEC 的應(yīng)用主要受到以下兩個(gè)因素限制，一是陰極

3、昂貴的催化劑；二是擴(kuò)大化 MEC 處理污泥的研究較少。 本研究對(duì)污泥進(jìn)行梯級(jí)處理， 利用廉價(jià)易得的生物炭作為陰極材料， 生物炭由MEC 出水污泥制備而來(lái)，同時(shí)采用最新的物理化學(xué)分析手段，研究原材料對(duì)生物炭性質(zhì)的影響。 利用體積為 4 L 的完全混合式 MEC （CS-MEC） 進(jìn)行擴(kuò)大化研究，通過(guò)調(diào)節(jié) MEC 外加電壓、轉(zhuǎn)速和污泥濃度，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，提高 MEC 產(chǎn)甲烷性能。 首先考察了污泥、 玉米秸稈以及它們的混合物生物炭作為 MEC

4、 的陰極材料處理污泥產(chǎn)氫的可能性。研究發(fā)現(xiàn)，外加電壓為 0.9 V 時(shí)，進(jìn)水可溶性化學(xué)需氧量（SCOD）為 1300 mg/L，污泥和玉米秸稈質(zhì)量比為 1:3 的生物炭（S25-C75）產(chǎn)氫性能最佳，最大產(chǎn)氫速率為 1.17± 0.23m3-H2/m3/d 與 Pt/C（1.19± 0.16 m3-H2/m3/d）和活性炭（1.18± 0.15 m3-H2/m3/d 相當(dāng)，能量效率 ηE（120.27

5、77; 12.46%）比 Pt/C 和活性炭分別高出 11.53%和 37.91%，而陰極制備成本僅占 Pt/C 和活性炭的 19.6%和121%。進(jìn)一步提高底物濃度到 SCOD 為 3000 mg/L，S25-C75 陰極 MEC 的最大產(chǎn)氫速率達(dá)到最大值，為 1.33± 0.08 m3-H2/m3/d。 掃描電鏡、 比表面積和元素分析結(jié)果顯示， 玉米秸稈生物炭富含微孔， 比表面積和碳氮元素含量最大。 拉曼光譜、 X 射線衍

6、射和陰極極化曲線分析表明污泥生物炭石墨化程度和催化活性高， 但導(dǎo)電差。 將污泥和玉米秸稈混合后生物炭的性能得到提高，MEC 陰極材料的產(chǎn)氫性能受比表面積、導(dǎo)電性和催化活性等多種因素影響。S25-C75 綜合了污泥和玉米秸稈生物炭的優(yōu)勢(shì)，因此產(chǎn)氫特性最佳。 成功將生物炭應(yīng)用于微型 MEC 產(chǎn)氫后，將 S25-C75 陰極應(yīng)用于 CS-MEC 中處理污泥產(chǎn)甲烷的特性， 并繼續(xù)考察不同運(yùn)行參數(shù)條件的影響。 提高轉(zhuǎn)速會(huì)提高溶液傳質(zhì)能力。 提高