单室微生物燃料电池处理黑水产电试验研究_丁擎

生活污水中51%的COD、91%的氮、78%的磷是由来自厕所的屎尿废水（俗称“黑水”）贡献的[1]。我国黑水的排放量高达14.4Mt·d-1，黑水中的污染物给城市污水处理带来很大的负担[2-3]。由于黑水的水质特征，采用现有常规工艺对黑水单独直接净化的难度较大，因此有必要研发新工艺。微生物燃料电池（MFC）是近年来新兴的一项技术，它能够利用微生物的代谢作用将废水中有机物的化学能转化成电能输出，具有去除污染物同时回收能量的特点。最近的研究报道称，在以铁氰化物为电子受体时，输出功率密度高达2.15kW·m-3[4]。因此，MFC作为以能源回收为目的的污水处理技术在小规模分散式的污水处理中发展潜力巨大。目前，对于MFC产电底物的研究已经有很多报道，从简单的化合物到人类生产活动产生的废弃物。理论研究采用诸如乙醇、乙酸、丁酸以及结构较复杂的蛋白质之类成分单一的物质[5-6]。而MFC实用性研究已经涉及了多种成分复杂的废水，其中包括生活污水以及猪粪废水、啤酒废水、碾米厂废水等生化性较好的废水，还有一些如造纸废水、化工行业废水、苯酚废水、染料废水等处理难度较大的废水[8-16]。但是目前对于MFC处理黑水的研究鲜有报道。本研究使用单室“二合一”型微生物燃料电池（SCMFC）处理黑水，考察进水COD、氨氮含量、外电阻、温度等条件对电池产电性能和黑水处理效果的影响。1材料与方法1.1反应器构成如图1所示，反应器为单室空气阴极无介质MFC，圆柱形，直径8cm、柱长8cm，有效体积为图1反应器形式Fig.1SchematicdiagramoftheSCMFC单室微生物燃料电池处理黑水产电试验研究丁擎1，袁林江1，赵丙良1，强琳2，董社英3（1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西西安710055；2.宝鸡市环境监测站，陕西宝鸡721000；3.西安建筑科技大学理学院，陕西西安710055）摘要：以黑水为基质，采用单室质子膜-碳纸热压“二合一”型微生物燃料电池（SCMFC），考察了COD分别为200、300、500、800、1000mg·L-1黑水，外接电阻分别在80、200、600、1000Ω下，温度为20℃和35℃时，SCMFC的产电和基质降解情况。结果表明，随着进水COD的增大，SCMFC功率密度提高，产电周期延长，出水COD去除率增大，电子回收率降低；COD为1000mg·L-1时，SCMFC的最大输出功率密度可达109mW·m-2；外接电阻降低后，电流密度提高，产电周期缩短，出水COD去除率降低，电子回收率升高，底物利用率提高；20℃下最大输出功率密度为65mW·m-2，较35℃时（106mW·m-2）降低38.7%，说明提高SCMFC系统的温度对产电有利；高氨氮含量对SCMFC产电影响不大。SCMFC技术适合黑水的资源化处理。关键词：单极室微生物燃料电池；黑水；外电阻；温度中图分类号：X799.3文献标识码：A文章编号：1000-3770(2011)12-0094-005收稿日期：2011-04-12基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-07-0659）；教育部“长江学者与创新团队发展计划”创新团队（IPT0853）作者简介：丁擎（1985－），女，硕士研究生，研究方向为废水生物资源化处理与环境可持续性联系电话：13991254113；E-mail：dingqing1209@163.com联系作者：袁林江，教授；E-mail：yuanlinjiang@xauat.edu.cn第37卷第12期2011年12月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.37No.12Dec.,201194DOI:10.16796/j.cnki.1000-3770.2011.12.023402.4mL。阳极材料为碳布（E-TEK，未进行防水处理），单侧面积50cm2；阴极为质子膜（Nafion117CS）与载铂碳纸（载铂质量0.5mg·cm-2）热压而成的复合材料，有效面积12.56cm2。阴阳两极间距2cm。采用钛金属线作为MFC的导线，与水接触的部分采用环氧胶密封。1.2黑水水质菌种培养。以西安市青岛某啤酒厂上流式厌氧污泥床（UASB）反应器内污泥作为接种菌源。将取来的污泥进行淘洗后放入恒温培养箱中（35℃），采用以模拟生活污水和黑水配成的混合溶液对活性污泥进行驯化。逐渐减少混合溶液中模拟生活污水所占的比例，增加黑水所占比例，直到完全使用黑水，而后再培养1周待用。模拟生活污水成分及质量浓度体积分数分别为：葡萄糖0.230g·L-1、淀粉0.213g·L-1、乙酸钠0.311g·L-1、蛋白胨0.210g·L-1、微量元素12.5mL·L-1、维生素5mL·L-1，COD为800