双极室连续流联合处理啤酒废水的微生物燃料电池

双极室连续流联合处理啤酒废水的微生物燃料电池

微生物燃料（mz）是利用微生物加速和将化学能转化为能耗的装置。它可以同时生成能和废水处理。许多小分子和混合有机物（葡萄糖、醋酸钠、生活废水、食品废水、化工废水、垃圾渗透等）可以用作根，许多沉积物可以同时生成能耗。对mz的处理通常发生在废水的极处。通常，未经处理的废水环境通常会对环境进行处理。一般来说，废水在厌氧后仍会含有高的化学需氧量（cod），因此需要进一步处理。从微生物的角度来看，生产电子的细菌只在厌氧环境下具有高的活性（在好氧条件下，产量低）。因此，mz是一种厌氧过程。从整体来看，由于mzh是一个电子受体，它是好氧。因此，可以使用双室mz建立一个厌氧-好氧联合处理系统，将未经处理的废水直接用于极室的液位，进一步处理间隙中的废水，提高废水的水质。此外，从它们的电极过程来看，mz只有两个极端。在双极室连续流处理废水的mz中，两个电极和两个电极是相同的。通过将电子和质子转移到电极中，提取电子和质量，并通过外部电路传输到电极。然而，在传递过程中，它们之间存在差异。在后者的极端，不仅通过交换离子交换膜（pem）传输到电极，而且通过极端水处理后，也可以通过释放电子和质子，这为质子交换带来了另一种新方法。为了降低传递颗粒的性能，它们通常包括pt等催化剂。后者不仅可以使用化学催化剂，还可以在好氧和有机物的环境中暴露电极，并将沉积物沉积在mz异常表面的生物膜中。为了提高氧化还原率，还可以通过释放颗粒中的酚类物质。本文构建了采用阴阳极室连续流联合处理废水的新型MFC,以进一步提高有机物的去除率,利用啤酒废水作底物,考察了MFC的产电性能和废水处理效果.1实验部分1.1阳离子型碳纤维mf双室MFC装置图见图1.双室MFC装置由有机玻璃材料制成,其阴极室和阳极室的几何体积均为180mL(实验有效体积100mL),中间由质子交换膜(PEM,Nafion117,美国Dupont公司)相隔.阳极采用3组平行的碳纤维,将其缠绕在上下两根石墨棒上,置于阳极室内;阴极使用碳毡(6cm×6cm,厚度为3mm).阴极室底部安置一个曝气头用于供氧.阳极室和阴极室两侧均设置进、出水口,顶部设置电极插孔,两极间通过铜导线相连,负载电阻箱(0.1～9999Ω).1.2cod、nh3—操作条件阳极室厌氧菌种取自哈尔滨啤酒厂,阴极室好氧菌来自实验室间歇式活性污泥反应器内的活性污泥,接种量均为20mL.MFC基质采用啤酒废水,原啤酒废水的水质指标为:pH=6.5±0.4;COD为(1250±100)mg/L;NH3—N浓度为(16±5)mg/L;总氮(TN)浓度为(24±3)mg/L;悬浮物(SS)浓度为(500±50)mg/L.MFC反应器置于(24±4)℃下进行连续流操作,向原啤酒废水中加入磷酸盐缓冲液PBS(NaH2PO44.97g/L+Na2HPO42.75g/L),由蠕动泵供给阳极室作为基质,蠕动泵流速为13.6mL/h,相应的阳极室水力停留时间为7.35h.阳极室的出水直接用作阴极室进水,其停留时间与阳极室相同.1.3交流阻隔测试实验中的电压每隔120s由微机信号采集系统自动记录.电池的功率密度P=UI/V,其中,U为电压,I为电流,V为阳极室反应液体积.电池的交流阻抗测试在CHI760C电化学工作站(上海辰华仪器公司)上完成,以Ag/AgCl电极为参比电极,交流阻抗扫描频率范围为0.01～105Hz,振幅为5mV.COD按重铬酸钾标准方法进行测定.2结果与讨论2.1pbs降低电池内阻的方法研究了以原啤酒废水和加入PBS的啤酒废水为MFC基质时MFC的产电性能,结果见图2.图2表明,加入PBS后,电池的性能与原废水相比有很大的提高.加入PBS前后MFC的开路电压分别为0.434和0.451V,通过极化曲线拟合得到的表观内阻分别为334和116Ω,可以看出,加入PBS后电池输出功率的提高主要是由于电池内阻减小引起的.PBS能够降低电池内阻的原因如下:(1)导电性离子的加入使整个溶液体系的离子强度增加,提高了溶液的导电性,降低了体系的欧姆内阻;(2)PBS对溶液系统pH有很强的调节作用,有利于充分发挥微生物的降解和产电能力.加入PBS后,电池最大输出功率为2.89W/m3,说明所构建的双极室联合处理废水的MFC产电是可行的,且其性能可通过进一步优化反应器的结构得到提高.虽然阴阳极室连续流的体系为质子从阳极室传递到阴极室提供了另一条途径,相应地降低了质子传递的阻力,但MFC产电量还是偏低.分析原因可能为:(1)啤酒废水成份复杂,其中可能含有许多其它的电子受体,使提供给最终电子受体氧气的电子量不足,导致反应缓慢;(2)阴极室进入过量的COD会引起异氧菌的大量繁殖,从而可能限制氧气向阴极表面的传递,最终导致整个MFC的产电量较低.2.2双极室连续流mfc处理图3为MFC在外阻为100Ω条件下稳定运行一段时期后,整个MFC体系COD的变化情况.由图3(A)可知,阳极室进水COD在1237～1389mg/L范围时,阳极室出水COD为558～663mg/L,阳极室出水进入阴极室,进行有机物的进一步降解,阴极室出水即整个连续流MFC体系的出水COD降低到68～99mg/L,出水较稳定.由图3(B)可知,阳极室厌氧生物处理中COD去除率为47.6%～56.5%,相对阴极室的进水COD值为558～663mg/L,阴极室好氧生物处理中COD去除率为86%～91%,而双极室连续流MFC整个体系COD降解率可以达到92.2%～95.1%.由此可见,双极室连续流MFC对啤酒废水有较好的处理效果,当整个体系停留时间为14.7h(阴阳极室分别为7.35h)时,出水COD能达到一个较低的水平.Wang等研究了单室空气阴极MFC处理啤酒废水的实验,当停留时间为60h,阳极进水COD浓度为1333mg/L时,COD去除率为79%.因此,所构建的双极室连续流联合处理废水的新型MFC对废水的处理效果要比单独阳极室的处理效果好,这是因为除了阳极室对废水的处理效果外,阴极室担当了额外的好氧处理作用,提高了出水水质.根据文献报道,阳极室不具备彻底将基质中有机物去除的能力,而将阳极室出水直接作为好氧的阴极室的底物,阴极室内生长的异养微生物可以利用氧气将基质中可生物降解的有机物进一步氧化,从而降低出水中COD浓度.虽然构建的双极室连续流联合处理废水的MFC具有较高的废水处理效果,但实验中阴极室进水COD浓度较高(558～663mg/L),会影响氧气向阴极的传递,导致产电量较低.因此,控制适宜的阴极室进水浓度,提高传递到阴极的氧气量,并进一步提高产电量,还需进一步研究.2.3阳极电势变化在测定极化曲线的同时,测定了MFC中阴阳极电极电势随电流的变化情况,结果见图4.图4显示,整个电池极化过程中阴极引起的极化要比阳极大很多.随着电流密度的增加,整个过程中阳极电势从-421mV上升到-355mV,提高了66mV;而阴极电势则由32.7mV降低到-227mV,下降了360mV,变化幅度是阳极的5倍多.实验结果表明,阴极的极化阻力要远远高于阳极,即控制整个电池反应速率的因素主要在阴极上.这可能与下列因素有关:对于阴极材料,氧气在未经过任何处理的无催化剂的碳毡上反应能力较小;对于阴极溶液,由于氧气在水中的溶解度低,电极浸没于溶液中,使得参与反应的氧气量不足,另外,溶液中含有较高的COD也会消耗氧气,从而使电极反应能力下降;啤酒废水中可能含有的其它电子受体也会使阴极的反应速率降低.2.4放电总阻力mfc的形成分别测定了阳极、阴极和电池的交流阻抗谱(图5).图5表明,在整个放电过程中,阳极的放电阻力明显低于阴极,电池的放电阻力主要是阴极产生的.由阻抗谱可知,阳极、阴极和电池的欧姆