PDF《第37 卷第 2 期》

第37 卷第

2 期2017 年2月环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae Vol.

37,No.2 Feb.,

2017 基金项目: 国家自然科学基金(No.51408020);

国家国际科技合作专项(No.2013DFR60250);

北京市科技计划项目(No.Z151100002115011) Supported by the National Natural Science Foundation of China( No.51408020), the International Science?Technology Cooperation Program of China (No.2013DFR60250)and the Science and Technology Plan Projects of Beijing(No.Z151100002115011) 作者简介: 刘睿(1982―),女,博士研究生, E?mail:hjzhx@ mail.buct.edu.cn;

?通讯作者(责任作者),E?mail:hairt@ mail.buct.edu.cn Biography: LIU Rui(1982―), female, Ph.D. candidate, E?mail:hjzhx@ mail.buct.edu.cn;

?Corresponding author,E?mail:hairt@ mail.buct.edu.cn DOI:10.13671 / j.hjkxxb.2016.0219 刘睿,高艳梅,王晓慧,等.2017.水力停留时间对 MFC?A2 / O 工艺处理生活污水的影响[J].环境科学学报,37(2):680?685 Liu R, Gao Y M, Wang X H, et al. 2017.Effects of hydraulic retention time on MFC coupled A2 / O progress for domestic wastewater treatment[J].Acta Scientiae Circumstantiae,37(2):680?685 水力 停留时间对MFC?A2 / O 工艺处理生活污水的影响 刘睿1 ,高艳梅1 ,王晓慧1 ,付进南2 ,海热提1,? ,罗南3 , 李媛1 1. 北京化工大学,北京市水处理环保材料工程技术研究中心,北京

100029 2. 北京碧水源科技股份有限公司,北京

102200 3. 中科宇图资源环境科学研究院, 北京

100101 收稿日期:2016?04?13 修回日期:2016?05?30 录用日期:2016?05?30 摘要:在10 L 的A2 / O 反应器中构建微生物燃料电池(MFC)系统,以厌氧段作为阳极室去除有机物,缺氧段作为阴极室去除硝酸盐.结果发现,

30 d 左右可以达到最大输出电流.系统启动后进入稳定期对水力停留时间(HRT) 进行优化,结果表明,当HRT =

16 h 时可以获得最佳出水效 果,此时 MFC 的出水 COD、总氮浓度分别比对照 A2 / O 反应器低 14.6%和10.1%,在100 Ω 外阻下的输出功率密度为

612 mW ・m-3 ;

当HRT =

12 h时,产电效果最好,最大输出功率密度可以达到

808 mW ・ m-3 . 关键词:微生物燃料电池;

A2 / O;

污水处理;

水力停留时间 文章编号:0253?2468(2017)02?680?06 中图分类号:X703 文献标识码:A Effects of hydraulic retention time on MFC coupled A2 / O progress for domestic wastewater treatment LIU Rui1 , GAO Yanmei1 , WANG Xiaohui1 , FU Jinan2 ,HAI Reti1,? , LUO Nan3 , LI Yuan1 1. Beijing Engineering Research Center of Environmental Material for Water Purification,Beijing University of Chemical Technology,Beijing

100029 2. Beijing OriginWater Technology Co.,Ltd,Beijing

102200 3. Institute of Resources and Environment Science,MAPUNI, Beijing

100101 Received

13 April 2016;

received in revised form

30 May 2016;

accepted

30 May

2016 Abstract: A

10 L MFC coupled A2 / O system was built, with the anaerobic tank as anode chamber and the anoxic tank as cathode chamber. This coupled system could achieve max output current after

30 days. During the steady phase, the hydraulic retention time (HRT) was optimized to improve wastewater treatment efficiency and power generation. The results showed that the coupled system could obtain best pollutants removal efficiency when HRT =

16 h. Compared with control reactor, concentrations of effluent COD and TN in the coupled system could be reduced by 14.6% and 10.1%. In the meantime, the power density (external resistance=

100 Ω) of the coupled system was

612 mW ・ m-3 . Correspondingly, the optimum HRT when the coupled system achieved highest power generation was

12 h, and the max power density was

808 mW ・ m-3 . Keywords: microbial fuel cell;

anaerobic?anoxic?oxic process;

wasterwater treatment;

hydraulic retention time

1 引言(Introduction) 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC) 是 在微生物的作用下,将污水中有机物蕴含的化学能 转化为电能的新兴污水处理技术,是近年来环境和 新能源领域的研究热点(Li et al., 2014).研究认为, 微生物也可以充当催化剂,在代谢活动时利用阴极 电极作为有机电子供体产电(Liu et al.,2014).因为 减少了化学催化剂的使用,生物阴极更符合 MFC 可 持续发展的理念.当前以氧气为电子受体的生物阴

2 期 刘睿等:水力停留时间对 MFC?A2 / O 工艺处理生活污水的影响 极MFC 理论与技术已有较好的发展(Zhang et al., 2011;

Zhang et al., 2012).在研究生物阴极的同时, 发现很多种物质可以作为阴极的电子受体,阴极电 子受体的不同使 MFC 除产电外还可以另有不同的 功能,如在阴极可以去除硝酸盐(Xie et al., 2011)、 高氯酸盐(He et al., 2015) 和重金属( Chen et al., 2015).当阴极以硝酸盐作为阴极电子受体时,MFC 可以具有同步脱氮除碳的功能.A2 / O 工艺在厌氧段 去除有机物,缺氧段发生反硝化反应脱氮,正好与 MFC 阳极和阴极的反应条件相同.在阴极由硝酸根 或亚硝酸根替代氧气作为电子受体,理论上可以增 强A2 / O 工艺的反硝化效果. Xie 等(2014)首先提出在圆筒形 A2 / O 反应器 的厌氧池嵌入阳极、 缺氧池嵌入阴极构建MFC? A2 / O系统,与普通 A2 / O 反应器(对照) 相比,出水 中的 COD、总氮、总磷分别下降了 15.9%、9.3% 和1.4%;

随后,该课题组进一步优化反应器构型并采 用廊道式 MFC?A2 / O 研究了 MFC 强化 A2 / O 工艺生 物脱氮除磷效率的生物学机理(Xie et al., 2016).王 龙等(2014) 通过调整反应器构型省去质子交换膜 的使用,基于传统 A2 / O 工艺设计了一种回流式无 膜生物阴极 MFC 脱氮工艺,该工艺总氮的去除率较 作参比的 A2 / O 系统提高了 8.17%.本课题组付进南 等(2015)也曾设计了一种 MFC 与A2 / O 工艺耦合 系统,使用醋酸钠作为碳源、氯化铵作为氮源,当C/N为 4.2 时该系统可以达到最大电压,为534 mV, 同时对 COD 的去除率达到了 96.1% ~97.1%. 本实验根据廊道式小试 MFC?A2 / O 反应器(Xie et al., 2016)原理,在本课题组前期 MFC?A2 / O 耦合 系统的基础之上对电极构型做出调整,省去搅拌装 置,并对工艺运行参数水力停留时间(HRT)进行优 化,研究其处理生活污水的效果和产电性能,并设 置一个空白 A2 / O 反应器作为对照,以期为 MFC? A2 / O 耦合技术应用于处理实际废水提供理论基础.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 实验装置 实验装置的主体 A2 / O 反应器由有机玻璃制 成,尺寸为

45 cm*20 cm*12 cm(长*宽*高),总有 效容积为

10 L.其中,厌氧段和缺氧段的有效容积均 为2L,好氧段的有效容积为

6 L.在厌氧段和缺氧段 顶部加一密封盖保证低溶解氧(DO) 状态,使厌氧 段的 DO 保持小于 0.2 mg ・ L-1 ,缺氧段 DO 保持小于 0.5 mg ・ L-1 ,在好氧段进行充分曝气使 DO 保持大于

2 mg ・ L-1 .为了减少缺氧段的回流液回灌到厌氧段, 增加厌氧段的溶解氧浓度,影响产电效果,使用塑 料材质的多孔板隔离缺氧段和厌氧段;

同样使用多 孔板隔离好氧段和缺氧段.实验使用碳刷作为阴阳 极电极,并在阴极添加活性炭颗粒增强导电性和扩 大电极表面积.电极构型为两段直径

5 cm、长12 cm 的碳纤维刷平行放置,阳极置于厌氧段,阴极置于 缺氧段,并连接

100 Ω 外电阻与数据采集卡. 2.2 运行方式 实验所用的接种污泥取自北京市清河污水处 理厂的混合污泥,加碳源闷曝培养

15 d.实验用水为 北京化工大学学生宿舍六号楼的生活污水,污水经 沉淀 调节后水质为: pH =

7 ~

8、 COD

450 ~

650 mg ・ L-1 、氨氮 100~130 mg・ L-1 、硝氮

8 ~

15 mg・L-1 、 亚硝氮 0~0.02 mg ・ L-1 .实验启动阶段采用循环进水 方式,二沉池出水进入进水桶循环使用,当MFC 输 出电流显著下降时重新更换进水,当连续

3 个周期 的最高输出电流不再升高并保持稳定,证明启动成 功,开始采用连续进水方式.反应器启动期的初始运 行参数为:HRT=

24 h,内回流比 100%. 为了对比 MFC?A2 / O 耦合系统的污水处理效 果,设置了一个平行运行的对照 A2 / O 反应器,在下 文中分别简称为 MFC 和对照.对照反应器的基本结 构、进水水质和运行参数与 MFC 完全相同,但没有 安装碳刷电极,而是在厌氧段和缺氧段分别增加磁 力搅拌器提供充分的搅拌,使污泥始终保持悬浮的 状态.MFC 和对照工艺流程见图 1. 图1工艺流程示意图(a.MFC?A2 / O 耦合系统, b.对照 A2 / O) Fig.1 Diagram of process flow ( a. MFC?A2 / O coupled system, b. control reactor)

1 8

6 环境科学学报37 卷在MFC 启动后进行 HRT 的优化.通过调节进 水泵的转速控制进水流量,进而改变 HRT 分别为

24、

20、

16、

12、8 h.每个 HRT 下运行

15 d,测定出水 水质,并与对照作比较,同时测定 MFC 的输出电流. 2.3 数据采集与分析 MFC 的输出电压使用数据采集卡采集, 每1min 记录

1 次电压值,并将每小时的数据取平均值 存档备用.单个电池的表观内阻采用稳态放电法测 量(Liang et al.,2007):由大到小改变电路的外电阻 值,记录相应的电压值,根据公式 I = U/ R 计算相应 的电流值,将电压与电流作图得到极化曲线,极化 曲线的欧姆极化区经过拟合后通常呈线性关系,其 斜率即为电池的表观内阻.电池的输出功率由公式 P =U2 / R 计算,将输出功率除以阳极室的体积(2 L) 得到电池的体积功率密度.功率密度对电流作图得 出功率密度曲线,一般认为曲线的最高点即为电池 的最大功率密度.水质指标的测定采用常规方法(魏 复盛等, 2002).

3 ........