鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2019年11月07日
微生物燃料電池處理廢水時的產電性能研究
設計了一個經典的雙室微生物燃料電池,并考察了其在接種厭氧污泥條件下對葡萄糖模擬廢水的產電性能。試驗主要考察了電池系統在不同的電極材料及不同COD濃度下的產電性能及廢水處理效率。結果表明,該電池在初始COD為1000mg/L,以石墨為電極的運行條件下產電性能最好,最大電流密度為4.4mA/m2。在不同的COD濃度下,該系統對廢水中COD的去處率都穩定在70%。另外實驗還考察了好氧污泥代替空氣作為電子受體后電池系統的產電性能及廢水處理效率。在該條件下,微生物燃料電池的產電性能得到了顯著的提高,輸出電流密度約為17.3mA/m2,同時其對廢水中的COD去除率達到了82%。
微生物燃料電池(MicrobialFuelCell,簡稱為MFC)是一種利用微生物體作為催化劑將有機物質及無機物質氧化并產生電能的裝置[1]。隨著環境問題日益嚴峻以及經濟高速發展對能源需求的日益增加,微生物燃料電池也越來越受重視。Logan等[2]以城市生活污水為營養物質構造的新型微生物燃料電池實現了污水處理的同時回收電能,從而在一定程度上降低了污水的處理成本。
然而,現在國內外大部分的微生物燃料電池研究都集中在單容器型的微生物燃料電池,重點都圍繞著減少微生物燃料電池的內阻,從而提高微生物燃料電池的產電性能[3]。傳統的廢水處理工藝中,生物處理部分主要是由好氧生物處理和厭氧生物處理組成。這與傳統的雙室微生物燃料電池的構造相匹配。因此,雙室微生物燃料電池是應用到實際廢水處理過程中,實現廢水處理和能源回收的理想模式。
基于上述觀點,本研究設計了一個經典的無介體雙室微生物燃料電池,利用該電池系統對模擬生活污水進行處理并考察了該過程中系統的產電性能,為微生物燃料電池應用到實際的廢水處理過程中提供科學依據。
1實驗裝置和方法
1.1無介體雙室微生物燃料電池系統的搭建
微生物燃料電池系統如圖1所示,該電池由有機玻璃制成,主要由陰極室和陽極室兩部分構成。由恒溫磁力加熱攪拌器對陽極室內的混合液進行連續攪拌,以保證營養物質和微生物體充分混合。陰極室內則由一小型空氣泵對內曝氣充氧。單室呈圓柱型,有效容積為2009mL(Φ80mm×400mm),兩電極均由石墨制成,有效面積為350cm2。陰陽兩室以質子交換膜(Nafion117,杜邦)連接,其連接處有效面積約為13cm2。外電路負載是一可調電阻箱(ZX97E)(1-1000000Ω)。該燃料電池產生的電壓信號由外接的數據采集系統(personalDaq/56)自動收集。
1.2實驗條件
陽極室中的接種污泥是來自北京市高碑店污水處理廠污泥消化池中的消化污泥。在室溫下利用COD約為200mg/L的葡萄糖模擬廢水培養7天,以恢復污泥的活性并富集菌種。基質為葡萄糖配制成的營養儲備液,pH值保持在7左右[4-5],COD約為1000mg/L。厭氧泥及基質在進入反應器前,均需通入一定時間的氮氣以去除其中的溶解氧。在整個實驗過程中保持陽極室中的厭氧狀態,當一個產電周期結束后,停止攪拌,待混合液中污泥沉降完全后,棄去上清液,重新添加新的營養物質。整個微生物燃料電池的運行溫度基本維持在35℃左右[6-7]。整個實驗過程中,保持外路電阻不變,約為100Ω。
1.3分析項目與方法
化學需氧量COD測定:按照GB/T11914-89規定測定。
電化學性質的確定:電池的輸出電壓U由數據采集系統自動記錄,電路中的電流大小I=U/Rw,其中Rw為外阻大小。電流密度ρ(I)=I/A,其中A為電極的有效面積。功率密度ρ(p)=ρ(I)×U。
2試驗結果
2.1不同電極材料對微生物燃料電池產電性能的影響
對于微生物燃料電池而言,電極材料直接關系到該電池的電子傳輸速率以及其內阻大小,對其產電性能有著顯著的影響。本試驗主要考察了兩種電極材料。一種是成本較低,機械強度較好的石墨。由于石墨電極的反應表面為平面,故選用碳纖維紙(簡稱為碳紙)(GEFC-GDL3,北京金能)作為對比的電極材料,同傳統的石墨電極相比,碳紙具有體積小,重量輕,孔隙率高等優點。兩電極材料的對比實驗都是在COD為1000mg/L,外阻為100Ω的條件下進行的。在底物中COD的濃度都為1000mg/L時,兩者產電性能的比較如圖2所示。
從圖2可知,石墨電極產電的穩定性優于碳紙電極,在其后期該趨勢顯得更加明顯,石墨電極外路的平均電流密度比碳紙電極高出30%,達到4.4mA/m2。此外,在以碳紙和石墨為電極的條件下,電池系統對模擬廢水中COD的去除率均保持在70%以上,出水COD都保持在300mg/L。因此,對于石墨和碳紙而言,無論采用何種電極材料,對微生物燃料電池的廢水處理效果是沒有顯著影響的。
2.2不同COD條件下微生物燃料電池的產電性能
本實驗主要考察了在處理不同COD濃度的城市污水過程中微生物燃料電池產電性能。考慮到城市污水中COD的濃度一般不高,所以該實驗主要考慮了燃料電池系統陽極(厭氧端)在COD分別為200、400、600、800、1000、1500mg/L的情況下的產電性能。微生物燃料電池在不同COD濃度下的輸出電流密度如圖3所示。從圖3中可以看出,在不同的COD濃度下,電池系統都有一定的電流產出。隨著COD濃度的增加,微生物燃料電池系統的輸出電流密度在不斷的增大,特別是當底物濃度從400g/L上升到1000mg/L的時候,該系統的輸出電流密度出現了急劇的增長,電流密度從1.6mA/m2上升到了4.5mA/m2。但是,隨著COD濃度的繼續增加,底物濃度從1000mg/L上升到1500mg/L時,增長趨勢變得平緩,輸出電流沒有明顯的增長。該燃料電池系統在不同COD濃度下對模擬廢水中的COD都具有很好的去除效果。在整個實驗過程中電池系統對COD的去除率都穩定在70%左右。從實驗結果可以看出,該電池系統對不同濃度的城市污水都有很好的處理效果,特別是對于低濃度的城市污水(200~400mg/L),經過微生物燃料電池系統處理后出水的COD濃度可以達到100mg/L以下。因此,利用微生物燃料電池既能處理廢水達到環境保護的要求又能回收一部分的電能。
2.3雙室微生物燃料電池的動力學研究
2.3.1雙室微生物燃料電池的產電規律
為了研究雙室微生物燃料電池的產電規律,對上述不同COD條件下電池的累計產電量進行分析,實驗結果如圖4所示。由圖4可知,當初始COD濃度為1000mg/L時,此時微生物燃料電池的累計產電量接近最大值,約為26C。當初始COD低于該值時,累積產電量隨底物濃度的增加而增加,而當濃度超過這一值時,累計產電量不再隨底物濃度的增加而顯著提高。這一變化規律恰恰符合酶促反應的Monod方程,則用該方程來描述微生物燃料電池與初始COD之間的關系:
由圖4中的非線性回歸分析,可得半飽和常數KS=1211mg/L,該微生物燃料電池的最大產電量Qmax=27.52C。
2.3.2雙室微生物燃料電池的COD降解規律
為了研究微生物燃料電池在實際廢水處理過程中應用的可行性,不僅需要考察其產電性能的高低,該體系對廢水中污染物的處理效果也是需要重點考察的。為了分析和評價電池系統的廢水處理能力,本實驗考察了電池系統針對不同COD濃度的廢水處理能力,實驗結果如圖5所示。
由圖5可知,微生物燃料電池對于廢水中COD的降解規律符合酶促反應關于底物濃度的一級動力學方程,擬和曲線的回歸率較高。對于整個實驗過程而言,整個電池系統的運行時間保持不變約為24h。因此,由回歸方程可以得出微生物燃料電池系統對廢水中COD的降解速率常數為k=0.215h-1。
2.4好氧生物處理在微生物燃料電池系統中的應用
為了將微生物燃料電池與廢水的實際處理過程有機的結合起來,進一步考察該系統應用到實際廢水處理過程中可行性。本實驗在電池系統的陰極(好氧端)接種1000mL好氧污泥,用好氧污泥及其代謝產物作為電子受體代替通常的空氣陰極。該好氧污泥取自北京市北小河污水處理廠的污泥回流池中,污泥沉降性好,生物相豐富,MLSS為5.87g/L。曝氣24h恢復活性后投加1000mL葡萄糖模擬廢水,COD約為500mg/L。陰極內采用間歇式反應,水力停留時間控制在12h左右。
好氧污泥作為陰極后微生物燃料電池的產電性能如圖6所示。好氧污泥作為陰極后,微生物燃料電池的輸出電流密度約為17.3mA/m2,大約是單純以空氣作為陰極時的電流密度時的4倍。電池陰極(好氧端)添加好氧污泥后,出水COD濃度約為60mg/L,好氧端對廢水中的COD去除率達到了82%。從實驗結果可以看出,用好氧污泥代替空氣作為電子受體后可以大大提高微生物燃料電池的產電性能。同時將微生物燃料電池的厭氧端(陽極)和好氧端(陰極)與傳統廢水處理中的好氧和厭氧生物處理有機的結合起來,
達到了很理想的廢水處理效果的同時也回收了一定的電能,滿足了廢水處理資源化的要求。
3結論
(1)微生物燃料電池在COD濃度為200~1500mg/L時均有穩定的電流輸出。最佳的COD濃度為1000mg/L,此時,系統輸出電流密度為4.4mA/m2。該電池系統在不同的COD濃度下,對廢水中COD的去除率都穩定在70%左右,達到了較理想的處理效果。
(2)對于石墨和碳紙兩種電極材料而言,石墨電極的產電性能以及機械強度較好,更適合與實際的工程應用。
(3)在電池系統陰極使用好氧污泥代替空氣作為電子受體后,大大提高了電池的產電性能,輸出電流密度約為17.3mA/m2,同時其對廢水中的COD去除率達到了82%。實現了廢水處理的同時回收電能。
(4)本實驗考察的電極主要是成本低廉,機械強度較好的石墨電極,并且考慮到廢水的處理成本,并未對石墨電極做任何的改性。如果對石墨電極進行改性處理的話,該電池的系統的電流輸出密度可達到幾十到上百mA/m2。