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基于微生物燃料电池产电原位利用的废水反硝化除硫研究

王科  
【摘要】:工业废水中常常含有硫化物或硝氮,需要处理达标后才能进行排放。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)作为一种有发展前景的废水处理技术,能够在处理硫化物和硝氮的同时进行产电。本实验室前期开展了反硝化除硫MFC的研究,但如何提高污染物去除效率、单质硫生成率和气态氮生成率,是亟待解决的问题。本课题采用两种方式启动了基于产电原位利用的反硝化除硫MFC,即ACD模式(Alternate Charging and Discharging mode,ACD mode)运行的反硝化除硫MFC。启动MFC1时先在定值外阻模式(R模式)运行再改为交替充放电模式(ACD模式)运行。MFC2直接采用ACD模式进行启动。反硝化除硫MFC采用ACD模式运行以实现产电原位利用时,研究了电容器充放电时间和外电阻分配等外电路参数、底物浓度和温度对MFC电极电势与污染物去除性能的影响。此外,利用循环伏安法(Cyclic Voltammetry,CV)探究了反硝化生物阴极中的胞外电子传递模式(Extracellular Electron Transfer,EET)和限速步骤。具体结论如下:(1)MFC1和MFC2分别在第109d和103d启动完成。MFC1和MFC2的总氮去除负荷分别为6.3±0.3gN/(m~3?d)和5.5±0.5gN/(m~3?d),相应的气态氮生成率分别为23.8±1.1%和20.2±1.8%。MFC1和MFC2硫化物去除负荷分别为0.134±0.002 kgS/(m~3?d)和0.134±0.001kgS/(m~3?d),单质硫生成率分别为20.7±0.7%和15.1±1.1%。MFC1和MFC2平均功率密度分别为3.11W/m~3和4.53W/m~3。MFC1的产电能力低于MFC2,但获得更高的硫化物去除负荷、单质硫生成率和气态氮生成率。ACD模式相比于R模式能够加强产电和硫化物去除,但促进了硫酸根生成。(2)阳极和阴极电势范围上下限越低,越有利于单质硫和气态氮的生成。随着充放电时间的缩短(T_C=20,15,10,5min),阴阳极电势范围的上下限先降低后升高,在T_C=10min时同时取得最低值,对应的阳极电势范围和阴极电势范围分别为-0.342~-0.242V和-0.021~0.063V。单质硫和气态氮生成率取得最大值,分别为21.5±0.4%和6.4±0.3%;硫化物和总氮去除负荷分别为0.212±0kgS/(m~3?d)和2.6±0.2gN/(m~3?d)。分别采用中点电势法、阳极电势不变法和瞬时电势法选取外阻以调控电极电势时,利用阳极电势不变法选取的外阻可使阴极电势降低至最低范围-0.276~0V,导致气态氮生成率和总氮去除负荷最高,分别为32.2±1.5%和16.5±0.8gN/(m~3?d);阳极电势范围为-0.31~-0.151V,硫化物去除负荷和单质硫生成率较高分别为0.21±0.002kgS/(m~3?d)和10.3±0.1%。(3)随着进水硫化物浓度从64增加至160mgS/L,MFC阳极电势上限先升高后降低而下限基本不变,而阴极电势上下限先降低后升高。随着硝氮浓度从14增加至56mgN/L,MFC阳极电势上下限先升高后降低;阴极电势的上限先降低后升高,而阴极电势的下限逐渐升高。在进水硫化物和硝氮浓度分别为128mgS/L和28mgN/L时去除效果取得最佳值,硫化物和总氮去除负荷分别为0.21±0.002kgS/(m~3·d)和16.5±0.8gN/(m~3·d),单质硫和气态氮生成率分别为10.3±0.1%和32.2±1.5%。随着温度从10增加至40℃,阳极电势上下限先升高后降低,阴极电势上下限呈现相反的趋势。温度为30℃时,最有利于硝氮去除和气态氮生成,对应的总氮去除负荷为16.5±0.8gN/(m~3·d),气态氮生成率为32.2±1.5%。温度为40℃时,最有利于单质硫生成,对应的单质硫生成率为48.8±0.2%。(4)反硝化阴极的CV曲线上存在三种不同的峰电势E_1(-0.471~-0.465 V)、E_2(-0.412~-0.428 V)和E_3(-0.822~-0.826 V),分别与硝氮还原、亚硝氮氧化以及亚硝氮还原有关。反硝化阴极中的硝氮还原与亚硝氮氧化过程为直接电子传递(Direct Electron Transfer,DET)模式;而亚硝氮还原过程为间接电子传递(Mediated Electron Transfer,MET)模式。硝氮还原过程的限速步骤是胞内催化反应;亚硝氮还原过程的限速步骤与生物阴极电化学活性和硝氮供给有关。当硝氮不存在时,氧化还原介体传递过程为限速步骤。当硝氮充足时,氧化还原介体传递和胞内催化反应均成为亚硝氮还原的限速步骤。


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