类A~2/O生物阴极微生物燃料电池污水处理及污泥减量研究

【摘要】：人口、环境、资源与发展构成了当今世界最为突出的四大难题，其中我国尤以环境和资源问题最为棘手。特别是作为一个缺水大国，如何利用最小的能耗和投资实现污水的处理效率最大化成为广大学者思考的一个重要方向，其研究过程却往往受到另一个难题的制约：即伴随污（废）水治理达标的同时产生大量污泥的问题。微生物燃料电池因为具有以废水为反应底物实现去除水中污染物并兼顾产生电流的能力，开辟了污水处理工艺的新思路，非但不需要能量的投入，反而提供了极具实用价值的电能，甚至报道发现具有污泥源头减量化的功效。因此，本文设计了一种类A2/O式生物阴极微生物燃料电池，用于考察MFC工艺的污水处理效果、产电性能及污泥减量效果，并进一步寻找三者之间的关联性与制约性。 本文自主设计构建的类A2/O式MFC系统以生活污水作为处理对象，经过26d完成启动，稳定输出电压为0.515V，其中，阳极电位为-0.48V，阴极电位为0.035V。在稳定运行期间，其电化学基本性能指标为：内阻值等于421Ω，最大功率密度值为0.3067W/m3，在水力停留时间为24h的工况下，获得库伦效率为1.99%。MFC系统污水处理效果都略优于A2/O系统。其中，COD和氨氮的去除效率在90%左右，总氮的去除率约为40%，总磷的去除率为68%。HRT对于氨氮的去除有较大影响，当HRT从8h增大到24h，氨氮的去除率从20%提高到90%。合理的曝气模式是曝气45min，间歇45min，不仅可以获得良好的污水处理效果，更节省了系统的能量消耗的运行费用。 本文以类A2/O式微生物燃料电池为核心考察对象，对照相同构型的A2/O系统与静态实验组，在完全相同的运行工况下，分析MFC系统的污泥减量效果，水力停留时间为24h，污泥龄为10d，测量反应器连续稳定运行60d的污泥累积排放量，对比MFC与A2/O两系统的好氧区活性污泥性能，观察MFC系统不同区域的污泥粒径分布，提取系统中上清液及污泥中的EPS，比较胞外聚合物的物质组成含量；对剩余污泥进行有机物组分分级，考察TOC、UV254和SUVA在污泥固相和上清液中五种有机组分的含量分布，对照MFC和A2/O对应反应区域内碳元素的含量，进一步解释MFC系统的污泥减量机制。 MFC系统剩余污泥总产量最小，A2/O系统次之，静态实验系统最大。其中，MFC系统比A2/O系统污泥总产量减少了14.53%，比静态实验系统减少62.1%。MFC系统剩余污泥Yobs与A2/O系统及静态对照系统相比平均减少11%及38%。相同工况运行条件下，MFC系统内阴极区活性污泥具有更好的污泥活性。MFC与A2/O两系统内污泥上清液与EPS中蛋白质含量存在明显差异，EPS中蛋白质含量高于上清液。多糖在两个系统的分布与蛋白质相近，但含量远低于蛋白质。较A2/O系统，MFC系统好氧污泥中的多糖浓度量略低。MFC系统与A2/O系统在不同采样点测得的元素质量百分数有较大差异，但具备一定规律。各反应区均是碳元素的含量最多，氧元素次之，氮元素和氢元素的含量较少且相差不大，硫元素含量最少。好氧区污泥、厌氧区污泥及缺氧区污泥的成分存在明显差异，两系统中除S元素外，其余的C、N、H、O四种元素都是在好氧区污泥内质量百分含量最高，缺氧区略微高于厌氧区。 【关键词】：A2/O 污泥减量 微生物燃料电池 产电 污水处理
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703;TM911.45
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 污泥减量化基本原理12-14
• 1.2.1 溶胞和隐形生长12
• 1.2.2 解偶联代谢12-13
• 1.2.3 内源呼吸和维持代谢13
• 1.2.4 生物捕食13-14
• 1.3 污泥减量技术的现状研究14-18
• 1.3.1 常用污泥减量技术对比14
• 1.3.2 基于溶胞-隐形生长原理污泥减量技术14-16
• 1.3.3 基于解偶联代谢原理污泥减量技术16-17
• 1.3.4 基于内源呼吸和维持代谢原理污泥减量技术17-18
• 1.3.5 基于生物捕食原理污泥减量技术18
• 1.4 微生物燃料电池18-21
• 1.4.1 MFC 的历史发展19
• 1.4.2 MFC 的基本原理19-20
• 1.4.3 MFC 的构型与电极材料20-21
• 1.5 研究的目的意义和主要内容21-24
• 1.5.1 研究的目的意义21-22
• 1.5.2 主要研究内容22
• 1.5.3 技术路线22-24
• 第2章 实验材料与方法24-30
• 2.1 实验材料24
• 2.1.1 实验进水24
• 2.1.2 实验接种污泥的驯化和培养24
• 2.2 实验装置与工艺流程24-26
• 2.3 实验仪器与方法26-28
• 2.3.1 主要仪器设备26
• 2.3.2 常规水质检测指标和方法26
• 2.3.3 污泥性能检测指标和方法26-27
• 2.3.4 电化学检测指标和方法27
• 2.3.5 扫描电镜（SEM）分析法27-28
• 2.4 计算方法28-30
• 2.4.1 COD 去除率28
• 2.4.2 电流及功率密度28-29
• 2.4.3 电池内阻29
• 2.4.4 库伦效率29-30
• 第3章 类 A~2/O 式 MFC 同步污水处理及产电性能30-46
• 3.1 引言30
• 3.2 类 A~2/O 生物阴极 MFC 系统的启动及稳定运行30-36
• 3.2.1 MFC 反应器的接种与启动30-32
• 3.2.2 MFC 反应器运行稳定后污水处理效果32-34
• 3.2.3 MFC 反应器稳定运行后电化学特性34-35
• 3.2.4 电极材料表面微生物特征分析35-36
• 3.3 曝气模式对 MFC 系统的影响36-39
• 3.3.1 曝气模式对 MFC 系统污水处理效果的影响37-38
• 3.3.2 曝气模式对 MFC 系统产电性能的影响38-39
• 3.4 水力停留时间对 MFC 系统的影响39-45
• 3.4.1 水力停留时间对 MFC 系统污水处理效果的影响40-44
• 3.4.2 水力停留时间对 MFC 系统产电性能的影响44-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第4章 类 A~2/O 式 MFC 污泥减量研究46-58
• 4.1 引言46
• 4.2 MFC 系统污泥减量效果分析46-52
• 4.2.1 MFC 系统污泥减量效果47-49
• 4.2.2 污泥性能与污泥活性分析49-51
• 4.2.3 污泥粒径分布51-52
• 4.3 胞外聚合物与污泥减量的关系52-53
• 4.4 剩余污泥中有机物组分的分布特征53-56
• 4.4.1 TOC 含量分布53-54
• 4.4.2 UV_(254)含量分布54-55
• 4.4.3 SUVA 含量分布55-56
• 4.5 本章小结56-58
• 第5章 类 A~2/O 式 MFC 物质与能量转化分析58-68
• 5.1 引言58-59
• 5.2 元素含量分析59-61
• 5.3 建立碳元素质量平衡模型61-64
• 5.3.1 质量平衡基本原理61
• 5.3.2 碳元素质量平衡模型61-62
• 5.3.3 MFC 系统的碳元素质量平衡分析62-64
• 5.4 MFC 系统能量转移分析64-66
• 5.4.1 燃烧热值的计算方法64-65
• 5.4.2 MFC 系统能量转化分析65-66
• 5.5 本章小结66-68
• 结论68-70
• 参考文献70-75
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果75-77
• 致谢77

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