雙極室連續(xù)流聯(lián)合處理啤酒廢水的微生物燃料電池

雙極室連續(xù)流聯(lián)合處理啤酒廢水的微生物燃料電池

微生物燃料（mz）是利用微生物加速和將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為能耗的裝置。它可以同時生成能和廢水處理。許多小分子和混合有機物（葡萄糖、醋酸鈉、生活廢水、食品廢水、化工廢水、垃圾滲透等）可以用作根，許多沉積物可以同時生成能耗。對mz的處理通常發(fā)生在廢水的極處。通常，未經(jīng)處理的廢水環(huán)境通常會對環(huán)境進(jìn)行處理。一般來說，廢水在厭氧后仍會含有高的化學(xué)需氧量（cod），因此需要進(jìn)一步處理。從微生物的角度來看，生產(chǎn)電子的細(xì)菌只在厭氧環(huán)境下具有高的活性（在好氧條件下，產(chǎn)量低）。因此，mz是一種厭氧過程。從整體來看，由于mzh是一個電子受體，它是好氧。因此，可以使用雙室mz建立一個厭氧-好氧聯(lián)合處理系統(tǒng)，將未經(jīng)處理的廢水直接用于極室的液位，進(jìn)一步處理間隙中的廢水，提高廢水的水質(zhì)。此外，從它們的電極過程來看，mz只有兩個極端。在雙極室連續(xù)流處理廢水的mz中，兩個電極和兩個電極是相同的。通過將電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)移到電極中，提取電子和質(zhì)量，并通過外部電路傳輸?shù)诫姌O。然而，在傳遞過程中，它們之間存在差異。在后者的極端，不僅通過交換離子交換膜（pem）傳輸?shù)诫姌O，而且通過極端水處理后，也可以通過釋放電子和質(zhì)子，這為質(zhì)子交換帶來了另一種新方法。為了降低傳遞顆粒的性能，它們通常包括pt等催化劑。后者不僅可以使用化學(xué)催化劑，還可以在好氧和有機物的環(huán)境中暴露電極，并將沉積物沉積在mz異常表面的生物膜中。為了提高氧化還原率，還可以通過釋放顆粒中的酚類物質(zhì)。本文構(gòu)建了采用陰陽極室連續(xù)流聯(lián)合處理廢水的新型MFC,以進(jìn)一步提高有機物的去除率,利用啤酒廢水作底物,考察了MFC的產(chǎn)電性能和廢水處理效果.1實驗部分1.1陽離子型碳纖維mf雙室MFC裝置圖見圖1.雙室MFC裝置由有機玻璃材料制成,其陰極室和陽極室的幾何體積均為180mL(實驗有效體積100mL),中間由質(zhì)子交換膜(PEM,Nafion117,美國Dupont公司)相隔.陽極采用3組平行的碳纖維,將其纏繞在上下兩根石墨棒上,置于陽極室內(nèi);陰極使用碳?xì)?6cm×6cm,厚度為3mm).陰極室底部安置一個曝氣頭用于供氧.陽極室和陰極室兩側(cè)均設(shè)置進(jìn)、出水口,頂部設(shè)置電極插孔,兩極間通過銅導(dǎo)線相連,負(fù)載電阻箱(0.1～9999Ω).1.2cod、nh3—操作條件陽極室厭氧菌種取自哈爾濱啤酒廠,陰極室好氧菌來自實驗室間歇式活性污泥反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥,接種量均為20mL.MFC基質(zhì)采用啤酒廢水,原啤酒廢水的水質(zhì)指標(biāo)為:pH=6.5±0.4;COD為(1250±100)mg/L;NH3—N濃度為(16±5)mg/L;總氮(TN)濃度為(24±3)mg/L;懸浮物(SS)濃度為(500±50)mg/L.MFC反應(yīng)器置于(24±4)℃下進(jìn)行連續(xù)流操作,向原啤酒廢水中加入磷酸鹽緩沖液PBS(NaH2PO44.97g/L+Na2HPO42.75g/L),由蠕動泵供給陽極室作為基質(zhì),蠕動泵流速為13.6mL/h,相應(yīng)的陽極室水力停留時間為7.35h.陽極室的出水直接用作陰極室進(jìn)水,其停留時間與陽極室相同.1.3交流阻隔測試實驗中的電壓每隔120s由微機信號采集系統(tǒng)自動記錄.電池的功率密度P=UI/V,其中,U為電壓,I為電流,V為陽極室反應(yīng)液體積.電池的交流阻抗測試在CHI760C電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)上完成,以Ag/AgCl電極為參比電極,交流阻抗掃描頻率范圍為0.01～105Hz,振幅為5mV.COD按重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定.2結(jié)果與討論2.1pbs降低電池內(nèi)阻的方法研究了以原啤酒廢水和加入PBS的啤酒廢水為MFC基質(zhì)時MFC的產(chǎn)電性能,結(jié)果見圖2.圖2表明,加入PBS后,電池的性能與原廢水相比有很大的提高.加入PBS前后MFC的開路電壓分別為0.434和0.451V,通過極化曲線擬合得到的表觀內(nèi)阻分別為334和116Ω,可以看出,加入PBS后電池輸出功率的提高主要是由于電池內(nèi)阻減小引起的.PBS能夠降低電池內(nèi)阻的原因如下:(1)導(dǎo)電性離子的加入使整個溶液體系的離子強度增加,提高了溶液的導(dǎo)電性,降低了體系的歐姆內(nèi)阻;(2)PBS對溶液系統(tǒng)pH有很強的調(diào)節(jié)作用,有利于充分發(fā)揮微生物的降解和產(chǎn)電能力.加入PBS后,電池最大輸出功率為2.89W/m3,說明所構(gòu)建的雙極室聯(lián)合處理廢水的MFC產(chǎn)電是可行的,且其性能可通過進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)得到提高.雖然陰陽極室連續(xù)流的體系為質(zhì)子從陽極室傳遞到陰極室提供了另一條途徑,相應(yīng)地降低了質(zhì)子傳遞的阻力,但MFC產(chǎn)電量還是偏低.分析原因可能為:(1)啤酒廢水成份復(fù)雜,其中可能含有許多其它的電子受體,使提供給最終電子受體氧氣的電子量不足,導(dǎo)致反應(yīng)緩慢;(2)陰極室進(jìn)入過量的COD會引起異氧菌的大量繁殖,從而可能限制氧氣向陰極表面的傳遞,最終導(dǎo)致整個MFC的產(chǎn)電量較低.2.2雙極室連續(xù)流mfc處理圖3為MFC在外阻為100Ω條件下穩(wěn)定運行一段時期后,整個MFC體系COD的變化情況.由圖3(A)可知,陽極室進(jìn)水COD在1237～1389mg/L范圍時,陽極室出水COD為558～663mg/L,陽極室出水進(jìn)入陰極室,進(jìn)行有機物的進(jìn)一步降解,陰極室出水即整個連續(xù)流MFC體系的出水COD降低到68～99mg/L,出水較穩(wěn)定.由圖3(B)可知,陽極室厭氧生物處理中COD去除率為47.6%～56.5%,相對陰極室的進(jìn)水COD值為558～663mg/L,陰極室好氧生物處理中COD去除率為86%～91%,而雙極室連續(xù)流MFC整個體系COD降解率可以達(dá)到92.2%～95.1%.由此可見,雙極室連續(xù)流MFC對啤酒廢水有較好的處理效果,當(dāng)整個體系停留時間為14.7h(陰陽極室分別為7.35h)時,出水COD能達(dá)到一個較低的水平.Wang等研究了單室空氣陰極MFC處理啤酒廢水的實驗,當(dāng)停留時間為60h,陽極進(jìn)水COD濃度為1333mg/L時,COD去除率為79%.因此,所構(gòu)建的雙極室連續(xù)流聯(lián)合處理廢水的新型MFC對廢水的處理效果要比單獨陽極室的處理效果好,這是因為除了陽極室對廢水的處理效果外,陰極室擔(dān)當(dāng)了額外的好氧處理作用,提高了出水水質(zhì).根據(jù)文獻(xiàn)報道,陽極室不具備徹底將基質(zhì)中有機物去除的能力,而將陽極室出水直接作為好氧的陰極室的底物,陰極室內(nèi)生長的異養(yǎng)微生物可以利用氧氣將基質(zhì)中可生物降解的有機物進(jìn)一步氧化,從而降低出水中COD濃度.雖然構(gòu)建的雙極室連續(xù)流聯(lián)合處理廢水的MFC具有較高的廢水處理效果,但實驗中陰極室進(jìn)水COD濃度較高(558～663mg/L),會影響氧氣向陰極的傳遞,導(dǎo)致產(chǎn)電量較低.因此,控制適宜的陰極室進(jìn)水濃度,提高傳遞到陰極的氧氣量,并進(jìn)一步提高產(chǎn)電量,還需進(jìn)一步研究.2.3陽極電勢變化在測定極化曲線的同時,測定了MFC中陰陽極電極電勢隨電流的變化情況,結(jié)果見圖4.圖4顯示,整個電池極化過程中陰極引起的極化要比陽極大很多.隨著電流密度的增加,整個過程中陽極電勢從-421mV上升到-355mV,提高了66mV;而陰極電勢則由32.7mV降低到-227mV,下降了360mV,變化幅度是陽極的5倍多.實驗結(jié)果表明,陰極的極化阻力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陽極,即控制整個電池反應(yīng)速率的因素主要在陰極上.這可能與下列因素有關(guān):對于陰極材料,氧氣在未經(jīng)過任何處理的無催化劑的碳?xì)稚戏磻?yīng)能力較小;對于陰極溶液,由于氧氣在水中的溶解度低,電極浸沒于溶液中,使得參與反應(yīng)的氧氣量不足,另外,溶液中含有較高的COD也會消耗氧氣,從而使電極反應(yīng)能力下降;啤酒廢水中可能含有的其它電子受體也會使陰極的反應(yīng)速率降低.2.4放電總阻力mfc的形成分別測定了陽極、陰極和電池的交流阻抗譜(圖5).圖5表明,在整個放電過程中,陽極的放電阻力明顯低于陰極,電池的放電阻力主要是陰極產(chǎn)生的.由阻抗譜可知,陽極、陰極和電池的歐姆