污泥微生物燃料电池产电性能及污泥减量化研究

论文摘要

目前被广泛应用于污水处理的活性污泥法会产生大量的剩余污泥,并且产生量仍将不断增加,其处理和处置成为一个日益严峻的环境问题。同时污泥中有机物含量非常高,蕴含大量能量,因而也是一种可利用的资源。本研究利用微生物燃料电池技术(MFC),直接将污泥中的有机物转化为电能,以同步实现污泥的资源化和减量化。主要研究了污泥微生物燃料电池的产电过程、性能和机理,并进行了污泥MFC产电优化研究。将取自污水处理厂的回流污泥进行浓缩后,直接加入两室微生物燃料电池的两室中,在阳室中接种一定量厌氧污泥,进行同步污泥产电和减量研究。研究结果表明,污泥MFC可利用污泥产电,稳定期间电池的最高电压为0.467V,最大功率密度仅为39.20mW/m2,同时可实现一定的污泥减量(阳极室污泥TSS和VSS分别降低38.07%和38.72%。阴极室污泥的TSS和VSS分别降低42.02%和38.90%)。为了提高污泥的产能效率,进一步研究了预处理对污泥MFC的影响,采用了热、碱两种预处理方式来提高污泥溶解性有机物的含量。研究结果表明,碱处理能明显提升MFC的产电能力,最大功率密度最高达到65.99mW/m2,高于未处理污泥的46.47mW/m2,Rint小于未处理污泥MFC。热处理污泥在产电过程中容易发生酸化,效果不如碱处理。热碱预处理污泥经MFC产电污泥浓度TSS分别降低30.47%和21.70%,高于未处理污泥,另外,产电污泥TSS降低程度均高于不产电污泥,MFC产电能促进污泥的减量化。为探讨不同预处理污泥MFC的产电和污泥减量内在机理,本研究进行了预处理污泥、未处理污泥以及传统厌氧消化污泥有机物的种类、含量及其变化规律的探讨,并从分子生物学角度分析了各类污泥MFC微生物菌群结构和菌群分布的差异。结果表明污泥经热碱预处理后产电VFA含量远高于未处理污泥,有更多的大分子有机物会转化为小分子有机物,溶液离子强度增加,污泥MFC内阻降低,污泥产电性能提升。同时,用于MFC产电的污泥VFA含量高于传统的厌氧消化,污泥产电过程有更多的有机物被降解转化,促进了污泥减量。三维荧光的试验结果显示不同污泥在有机物浓度和种类上的差异是造成不同污泥MFC的产电性能差异的主要原因。对阳极的荧光原位杂交(FISH)和扫描电镜(SEM)结果表明微生物主要分布在电极表面,并且产电过程促进了电极微生物的分层分布。非产电菌将污泥的大分子有机物进行水解发酵,然后产电微生物利用水解发酵产物进行产电,是污泥微生物燃料电池产电的机理。污泥MFC产电优化试验表明,阳极室缺氧和高pH值启动能提高MFC的产电性能和污泥减量效果；增加污泥离子强度能降低MFC内阻,但污泥减量效果和产电性能不能得到提高。选择双室构型、PEM膜、碳毡电极以及阴极镀铂催化剂,MFC的产电性能好于单室构型、CEM膜、碳纸电极和阴极不镀催化剂的情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 简称列表
• 第一章 引言
• 1.1 问题的提出
• 1.2 本研究的内容
• 1.3 本研究的目的和意义
• 第二章 文献综述
• 2.1 剩余污泥现状
• 2.1.1 污泥的产生
• 2.1.2 污泥基本性质
• 2.1.3 污泥处理处置现状
• 2.2 微生物燃料电池的研究现状
• 2.2.1 MFC起源及发展
• 2.2.2 典型的MFC构型
• 2.2.3 产电机理
• 2.2.4 MFC产电性能的影响因素
• 2.2.5 MFC的应用现状
• 2.3 剩余污泥MFC及其研究现状
• 2.4 技术路线
• 第三章 污泥MFC产电性能和污泥减量
• 3.1 试验材料、方法和试验设计
• 3.1.1 试验用污泥
• 3.1.2 试验装置
• 3.1.3 污泥预处理方法
• 3.1.4 试验方法
• 3.1.5 分析方法
• 3.2 试验结果与讨论
• 3.2.1 污泥MFC产电性能和污泥减量
• 3.2.2 MFC阴极室污泥与污泥上清液产电
• 3.2.3 预处理污泥MFC产电性能及污泥有机物的变化
• 3.3 小结
• 第四章 污泥MFC产电机理研究
• 4.1 试验材料和方法
• 4.1.1 气、液相分析方法
• 4.1.2 生物相分析方法
• 4.1.3 污泥热值分析
• 4.2 试验结果分析
• 4.2.1 液态副产物（VFA）的变化
• 4.2.2 溶解性有机物
• 4和CO₂的产生'>4.2.3 CH₄和CO₂的产生
• 4.2.4 能量转化
• 4.2.5 微生物分布
• 4.3 小结
• 第五章 污泥MFC产电优化
• 5.1 试验材料和方法
• 5.1.1 阳极室缺氧试验
• 5.1.2 提高污泥离子强度污泥MFC产电试验
• 5.1.3 阳极室污泥高pH值启动
• 5.1.4 不同膜材料,阴极催化剂
• 5.1.5 不同构型和不同电极材料污泥MFC产电试验
• 5.2 试验结果分析
• 5.2.1 阳极室缺氧
• 5.2.2 增加离子强度
• 5.2.3 高pH环境启动
• 5.2.4 不同膜材料MFC
• 5.2.5 不同构型MFC
• 5.3 小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 建议与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间科研情况
• 致谢