基于BES污水處理-產(chǎn)能研究及微生物群落結(jié)構(gòu)解析.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、就目前的污水處理體系而言,大多數(shù)屬于“耗能除污”,在處理污水的同時(shí)需要消耗大量的能源,隨著能源的緊缺和環(huán)境污染的日益加重,除污與耗能這一矛盾急需解決。生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一矛盾,其技術(shù)主要包括微生物燃料電池和生物電解池。該技術(shù)結(jié)合了生物和電化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。生物電化學(xué)系統(tǒng)主要包括微生物燃料電池(MFC)技術(shù)和微生物電解池(MEC),二者不但可以處理污水,同時(shí)可以回收電能和清潔的氫能??梢哉嬲龑?shí)現(xiàn)“去污-產(chǎn)能”的雙重功

2、效。目前,有機(jī)廢水的污染中,糖蜜廢水和中藥廢水的排放COD含量較大,污染范圍廣,急需處理。而來自礦山、冶煉、電解、電鍍、農(nóng)藥、醫(yī)藥、油漆、顏料等企業(yè)排出的重金屬離子的污泥和廢水作為肥料和灌溉農(nóng)田,會(huì)使土壤受污染,造成農(nóng)作物減產(chǎn)甚至死亡,進(jìn)入水體后造成水生生物重金屬離子的富集,通過食物鏈對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重危害。因此本研究基于生物電化學(xué)的理論知識(shí),構(gòu)建了微生物燃料電池和微生物電解池,陽極以糖蜜廢水和中藥廢水作為陽極底物,陰極以金屬離子作為陰極電

3、子受體,即可實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢水和金屬離子廢水的雙重處,同時(shí)還可回收電能,在MFC稍加改造即為MEC,陽極以有機(jī)廢水為底物,外加電壓便可實(shí)現(xiàn)電子和質(zhì)子的結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫。利用產(chǎn)氫廢水二級(jí)發(fā)酵又可產(chǎn)甲烷,實(shí)現(xiàn)廢物的重復(fù)再利用。
  本研究首先構(gòu)建了連續(xù)流的以糖蜜廢水為陽極、不同濃度的Ag+作為陰極電子受體的MFC,MFC可以穩(wěn)定的產(chǎn)電且污水處理效果理想,得到的最大功率密度分別為62.82mW·m-2,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)Ag+的最高去除率71.6%,

4、COD最大去除率為81.2%。而后,平行構(gòu)建了四組分別以Cu2+、Ni2+、Cr6+和Cd2+為陰極電子受體的MFC,四組MFC陽極糖蜜廢水COD去除率均能達(dá)到70%以上,各陰極金屬去除率分別為51%、39%、66%和48%,并對(duì)陰極還原產(chǎn)物進(jìn)行了XRD分析,陰極產(chǎn)物一部分被還原為金屬單質(zhì),另一部成為氧化物。本部分實(shí)驗(yàn)成功構(gòu)建了連續(xù)流微生物燃料電池,并與傳統(tǒng)間歇式微生物燃料電池進(jìn)行了對(duì)比,實(shí)現(xiàn)了有機(jī)廢水的連續(xù)處理工藝,同時(shí)回收電能和金屬

5、單質(zhì)。在上述研究基礎(chǔ)之上,優(yōu)選了Ag+和Cr6+作為陰極電子受體,以中藥廢水為陽極組建了連續(xù)流MFC并實(shí)現(xiàn)了長期運(yùn)行,以Ag+為電子受體的MFC最大功率密度為1165.4mW·m-2;最大庫倫效率為8.17%,COD去除率為43.47%,色度去除率為65%。以Cr6+作為陰極電子受體的MFC,最大功率密度為556.38 mW·m-2;最大庫倫效率為6.06%,COD去除率為49.26%,色度去除率為74%。采用了454高通量測序?qū)FC

6、陽極微生物群落進(jìn)行了分析,包括層次聚類分析和門、綱、屬和種的結(jié)構(gòu)層次上進(jìn)行了比較。結(jié)果表明在本MFC中產(chǎn)電優(yōu)勢菌有5種。其中Propionibacterium_unclassified和Propionibacteriaceae_unclassified為未知菌。
  在連續(xù)流MFC的基礎(chǔ)上加以改造,構(gòu)建了以陽極中藥廢水為底物的MEC產(chǎn)氫系統(tǒng),并對(duì)比了污泥非固定化和污泥固定化的產(chǎn)氫效果。結(jié)果表明:固定化污泥MEC系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷在24

7、g COD L-1·d-1時(shí)達(dá)到最大產(chǎn)氫率,系統(tǒng)COD去除率穩(wěn)定在43.6%-50.1%之間,高于非固定化反應(yīng)器的COD(25.8%-38.9%)去除率。HRT為15h(OLR4.8 g COD L-1·d-1)是產(chǎn)甲烷最佳HRT條件。非固定的活性污泥和固定化活性化污泥在MEC研究和比較說明,固定化污泥系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和更高的生產(chǎn)能力。隨后采用兩級(jí)發(fā)酵過程對(duì)產(chǎn)氫廢水進(jìn)行產(chǎn)甲烷研究,說明污泥固定化可以顯著提高能源回收率。同樣采用454

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