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

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