微波预处理剩余污泥用于微生物燃料电池产电性能研究

论文摘要

随着我国污水处理事业的快速发展,剩余污泥作为污水处理的副产物,产生量也日益增加,对环境危害大。目前污泥厌氧消化技术是应用最广泛的污泥资源化技术,但是由于其污泥停留时间长、能耗高、操作维护复杂、反应条件严格,因此我们急于开发污泥稳定化与能源回收新技术。研究结果表明,微生物燃料电池在对有机物进行降解的同时能将有机物中的化学能以电能的形式回收,其不仅能够以单一的碳水化合物作为燃料发电,而且能从各种污(废)水中的有机污染物中回收电能,具有低能耗、停留时间短、反应条件温和等优点。本文引进MFC技术进行污泥处理,对比不同构型MFC反应器污泥处理过程中泥质的变化以及有机物降解和产电性能,MFC只能利用可溶性有机物为燃料,而污泥中有机物主要存在固相中,期望通过预处理提高污泥中可溶性有机物的含量以改善MFC产电与有机物降解效果。微波预处理具有穿透性强、加热均匀、热效率高等优点,所以本文以剩余污泥为研究对象,采用微波预处理技术,促进有机质溶出,以此提高MFC对污泥中有机物的降解速率,并与原泥的MFC产电降解效果进行对比,同时采用响应曲面法(RSM)分析微波预处理后泥质的溶出规律和考察微波预处理污泥对MFC运行过程中泥质的影响。研究结果表明,采用微波技术破解污泥,可以破坏污泥絮体和细胞结构,使得固相中的有机物转移至液相中,增加了液相中的溶解性有机物质的含量。增加值随着微波比能耗、微波加热时间的增加而增加,增加微波比能耗与加热时间可以获得高的SCOD、蛋白质和多糖溶出值。同时,相对比空气阴极MFC反应器,双室MFC反应器具有更好的有机物降解效果和产电性能,以污泥为底物的双室MFC的启动时间为20 h,稳定电压输出为0.60 V,最大输出功率为2.79 W/m3,单室空气阴极MFC的最大输出电压为0.366 V,最大输出功率为1.25 W/m3,运行8d后两者的TCOD去除率分别为34.14%和22.67%,双室MFC具有更高的库伦效率且在运行过程中能够实现氨氮的去除。微波预处理能提高有机物的降解效果和MFC的产电性能,随着微波比能的增加,MFC的启动时间缩短,同时输出电压和最大输出功率密度均有一定幅度的提高,但是输出电压稳定时间缩短,1 W/mL预处理后的MFC的启动时间为10 h,稳定输出电压为0.645 V,最大输出功率为3.30 W/m3,相应的3 W/mL的分别为5 h,0.70 V,3.78 W/m3。随着微波预处理比能的增加,MFC中污泥的TCOD去除率和库伦效率均提高,1 W/mL和3 W/mL微波比能预处理污泥在MFC运行8 d时的TCOD去除率分别为35.28%和43.73%,库伦效率分别为2.84%和2.96%。由于本文引入了微波技术,故与传统的厌氧消化技术进行对比,计算结果表明微波能量消耗与厌氧消化所需能量相当,MFC处理污泥缩短了污泥停留时间,其还是较为经济有效的。通过在体积功率、基建费用、稳定性等方面对比了污泥MFC产电与厌氧消化产甲烷,发现MFC具有适应温度广、抗负荷能力强以及稳定性强、启动时间短等优点,可以为未来的污泥处理提供新思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 能源与环境问题
• 1.2 污泥资源化利用
• 1.3 微生物燃料电池（MFC）研究现状
• 1.3.1 微生物燃料电池技术
• 1.3.2 MFC处理污泥同步产电研究现状
• 1.4 污泥预处理技术研究现状
• 1.4.1 常用技术
• 1.4.2 微波辐射法
• 1.5 课题来源、研究内容、目的及意义
• 1.5.1 课题研究目的及意义
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 污泥泥质
• 2.2 实验装置
• 2.2.1 微生物燃料电池
• 2.2.2 污泥微波破解装置
• 2.2.3 主要实验仪器与设备
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 MFC的启动
• 2.3.2 微波预处理方法
• 2.4 分析项目与测定方法
• 2.4.1 污泥基本指标测定
• 2.4.2 多糖测定
• 2.4.3 蛋白质测定
• 2.4.4 毛细吸收时间（CST）测定
• 2.4.5 电化学测量
• 2.5 计算方法
• 2.5.1 能量消耗指标
• 2.5.2 COD去除率
• 2.5.3 库伦效率
• 2.5.4 极化曲线以及电池内阻
• 2.5.5 功率密度
• 第3章 污泥微波预处理对泥质的影响分析
• 3.1 微波预处理对剩余污泥泥质的影响
• 3.1.1 SCOD变化
• 3.1.2 酸碱度变化
• 3.1.3 温度变化
• 3.1.4 蛋白质溶出
• 3.1.5 氨氮变化
• 3.1.6 多糖溶出
• 3.1.7 毛细吸水时间（CST）变化
• 3.2 响应曲面法（RSM）分析各指标溶出规律
• 3.2.1 响应曲面法概述
• 3.2.2 RSM分析微波破解污泥的溶出规律
• 3.3 本章小结
• 第4章 不同构型微生物燃料电池污泥处理效果对比
• 4.1 以污泥为底物的微生物燃料电池的启动
• 4.1.1 双室微生物燃料电池的启动
• 4.1.2 单室空气阴极微生物燃料电池的启动
• 4.2 不同构型微生物燃料电池运行期间污泥指标对比
• 4.2.1 SCOD浓度变化
• 4.2.2 蛋白质浓度变化
• 4.2.3 多糖浓度变化
• 4.2.4 氨氮浓度变化
• 4.2.5 pH变化
• 4.2.6 污泥TCOD去除效果
• 4.3 不同构型微生物燃料电池产电性能
• 4.3.1 MFC电压输出
• 4.3.2 MFC功率输出
• 4.3.3 库伦效率（CE）
• 4.4 本章小结
• 第5章 污泥微波预处理对双室MFC性能影响
• 5.1 微波预处理对MFC运行过程中污泥泥质的影响
• 5.1.1 SCOD浓度变化
• 5.1.2 蛋白质浓度变化
• 5.1.3 多糖浓度变化
• 5.1.4 氨氮浓度变化
• 5.1.5 pH变化
• 5.1.6 污泥TCOD去除效果
• 5.2 微波预处理对MFC产电性能的影响
• 5.2.1 MFC电压输出
• 5.2.2 MFC输出功率
• 5.2.3 库伦效率（CE）
• 5.3 微波预处理MFC产电工程应用分析
• 5.3.1 污泥厌氧消化总耗热量计算
• 5.3.2 污泥厌氧消化能量分析
• 5.3.3 微波预处理能耗分析
• 5.4 污泥MFC产电与厌氧消化产甲烷比较
• 5.4.1 体积功率的比较
• 5.4.2 基建费用的比较
• 5.4.3 稳定性能的比较
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢