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双圆筒型微生物燃料电池处理猪场废水的研究

熊友强

  长期以来,以厌氧生物处理和好氧生物处理为主的传统污水处理技术主导污水处理领域多年,但由于其昂贵的污水处理成本和对高浓度的废水的限制,越来越受到如今全球性能源紧缺问题的制约,成为我国经济进一步发展的阻碍。微生物燃料电池技术作为一种新型的污水处理技术,具有净化污水的同时能够直接获得电能输出的作用,近年来受到国际学术界的广泛关注,被视作一种高效益、低能耗、清洁环保的处理技术。 本文立足于国内外MFC处理有机废水的最新成果,提出采用双圆筒型微生物燃料电池(以下简称DCMFC)处理猪场废水,详细研究了该装置处理猪场废水的特性,并提出了猪场废水处理过程中的COD处理效率和产电能力等各项评估、分析指标。 试验结果表明,通过接种黑色颗粒产电菌污泥,DCMFC在经过3个产电周期(约300h)的循环后,即可完成产电菌的富集驯化和DCMFC的启动。DCMFC启动后能得出重现性极好的两个产电周期,产电过程与微生物代谢过程非常相似。对其进行极化曲线的测试,获得了最大输出功率220mW/m2(5.50mW),表观内阻19.56Ω,该表观内阻与欧姆曲线进行Hyperbl方程拟合所得值一致。 采用在50Ω外阻的条件下稳定运行的DCMFC,选择50Ω、5Ω、500Ω外阻进行试验,发现随着外阻的增大输出电压越大(36.70mV-670.00mV),电流越小(1.30~14.00mA)、内阻越大(0.72~8.20Ω)、阴极电极电势越大(-380.00~156.00mV)、阳极电极电势越大(-407.00mV-525.00mV)、COD去除率越高(53.38%~61.35%)、库仑效率越小(7.19%-40.89%)、电池效率越高(3.16%~47.55%)、非产电菌能量损失率越高(59.11%~92.81%),外阻50Ω时功率最大(5.51mW)、负载速率最大(0.15~0.34kgm-3d-1)、能量利用率最高(4.24%),外阻过大或过小均不利于DCMFC产电性能的发挥。不同外电阻对50Ω外阻条件下稳定运行的DCMFC的阴极、阳极电极电势、输出电压和电流随电阻的影响规律都可以用ExpDec1模型拟合成方程y=y0+Ae--x/t,理想的外阻值选择范围在80Ω~500Ω。 在固定装置结构、材料、外阻及温度的条件下,研究分析了影响DCMFC的运行因素,包括阳极底物类型、阳极底物浓度、电子受体和缓冲液,通过实验研究表明DCMFC的合适运行条件为:阳极底物为葡萄糖,底物浓度范围为COD1000.00mg/L以上,CBS=9.60的缓冲液,电子受体为铁氰化钾,同时[Fe(EDTA)]Na可以作为可循环再生电子受体使用。在各运行条件进行调整与优化后运行,得出DCMFC具有18.38mW(PA=735.00mW/m2, I=35.00mA)的产电性能,内阻为10.41Ω。 同时,探讨了DCMFC在处理模拟猪场废水及实际猪场废水中的COD去除率及产电性能规律。试验表明DCMFC处理模拟废水葡萄糖初始浓度1683.33mg/L时,得到81.96%的COD去除率和13.22%的库仑效率、37.99%的电池效率、0.38kgm-3d-1的负载速率和3.09mmW的稳定输出功率,且阳极底物每天出水的COD总处理效率和底物COD浓度随时间变化的规律均可以用ExpDec1模型来进行描述,拟合相关系数为分别达0.99632和0.98744。处理COD初始浓度为933.70mg/L的实际猪场废水时,具有较好的处理效果,输出功率达2.85mW (114mW/m2),产电持续时间达98.10h,COD去除率达67.87%,库仑效率达19.82%,能量利用率达6.00%,电池效率达44.62%,负载速率达0.24kgm-3d-1,且底物COD去除率随时间变化的规律可以用ExpDec1模型来进行描述,拟合相关系数为达0.99935。 最后对DCMFC进行了改进,并详细研究了改进后的DCMFC对不同高浓度的模拟废水处理过程中的产电规律,得到各底物初始COD浓度下的最大输出功率密度并用Hyperbl模型拟合,拟合系数为0.89535,最大功率近视值6.35mW(253.81mW/m2),但小于原DCMFC获得的最大功率密度723.84mW/m2。另外还对改进DCMFC在处理模拟猪场废水及实际猪场废水中的COD去除及产电性能规律进行了研究,得出处理1867.30mg/L的模拟猪场废水获得的输出功率达3.58mW (143.20mW/m2),产电持续时间达213.90h,COD去除率达77.83%,库仑效率达18.89%,能量利用率达5.86%,电池效率达39.84%,负载速率达0.17kgm-3d-1,且阳极底物每天出水的COD总处理效率和底物COD浓度随时间变化的规律均可以用ExpDec1模型来进行描述,拟合相关系数分别达0.99328和0.97656。改进DCMFC处理1093.34mg/L的实际猪场废水具有最大输出功率2.74mW(PA=109.41mW/m2, I=5.30mA)的能量,处理1466.66mg/L的实际猪场废水可以获得输出功率达4.36mW (174.40mW/m2),产电持续时间达148.40h,出水时平均内阻3.40Ω,COD去除率达73.26%,库仑效率达21.49%,能量利用率达8.40%,电池效率达53.36%,负载速率达0.18kgm-3d-1,且每天出水的COD总处理效率和底物COD浓度随时间变化的规律均可以用ExpDec1模型来进行描述,拟合相关系数分别达0.99683和0.99782。……   
[关键词]:双圆筒型微生物燃料电池;性能参数;极化曲线;产电过程;猪场废水
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:南昌大学2012年