超声、Fenton和耦合法预处理污泥及以Fenton氧化污泥上清液为燃料的MFC产电特性研究

发布时间：2020-10-29 11:06

　　 城市污水厂产生的剩余污泥存在产量大、含水率高、脱水困难和有机物稳定时间长等特点,使得污泥的处理处置成为污水处理厂运行管理的难点。为降低污泥后续处理处置的难度,本文采用超声波、Fenton和超声波耦合Fenton预处理方法对污泥的破解效果进行了研究,然后以Fenton氧化污泥后的上清液为微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)碳源实现污泥的资源化,并研究了不同阴极条件下,阳极底物的降解情况及产电性能,最后用宏基因组测序技术对接种污泥和阳极碳毡上的微生物菌群结构及其丰度进行了分析。主要研究结论如下:(1)超声波破解污泥的试验结果表明,超声波会使污泥的理化性质发生显著变化。随着声能密度的增大和破解时间的延长,上清液中溶解态有机物(以SCOD指标表征)、蛋白质、多糖和氮磷等物质的浓度明显增加,污泥粒径显著减小。在0.8W/mL的声能密度下破解30min,上清液中SCOD、NH_4~+-N、TN、TP、蛋白质和多糖的浓度较处理前分别增加了20.3倍、5.9倍、11.0倍、0.9倍、9.4倍和12.0倍;污泥平均粒径较反应前下降了86.1%。在一定声能密度条件下,SCOD增加值随破解时间的延长线性增加,且声能密度越大,超声波破解污泥的速率越快,SCOD的浓度越高。超声能量对污泥的脱水效果有显著影响,随着超声能量的增加,污泥的脱水性能先出现了短暂的改善,之后不断恶化,表现为污泥比阻(Specific Resistance to Filtration,SRF)先略有减小后大幅增加。通过拟合污泥颗粒的比表面积和污泥SRF及污泥上清液中胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)的浓度和污泥SRF可知,颗粒比表面积和EPS浓度与污泥SRF都存在显著的线性关系。(2)Fenton氧化剩余污泥的试验结果表明,在40℃,初始pH值为3,H_2O_2投加量为9.99g/L,Fe~(2+)投加量为0.75g/L,反应时间为120min时,上清液中的SCOD、蛋白质、多糖、NH_4~+-N和TN的浓度较原泥上清液分别增加了15.8倍、13.4倍、11.3倍、6.6倍和13.1倍;污泥的SRF较原泥下降了77.3%;平均粒径较原泥减小了53.9%。Fenton耦合超声波的试验结果表明,在Fenton氧化联合超声波可以提高Fenton破解污泥的效果,随着声能密度的增加和反应时间的延长,氧化效果逐渐增强。但在耦合0.4W/mL声能密度下反应120min时,三种方法破解后上清液中SCOD的浓度依次为超声波耦合法Fenton,同时随着耦合法中声能密度的增加和反应时间的延长,污泥的SRF逐渐增加。(3)以Fenton氧化污泥的上清液为MFC阳极底物的试验结果表明,在阴极分别为50mmol/L铁氰化钾、曝气、200mg/L高锰酸钾条件下,稳定运行一个周期后,SCOD的降解效率分别为70.66%、67.67%和74.66%;库伦效率分别为13.69%、9.59%和5.61%;功率密度分别为8.15W/m~3、1.63W/m~3和1.98W/m~3;内阻分别为36.73Ω、230.8Ω和339.8Ω;较原污泥上清液而言,产电性能大幅度提升。通过对MFC接种污泥和阳极碳毡进行微生物分类测序可知,在门水平上,接种污泥和阳极碳毡上的优势菌种都为Proteobacteria,Chloroflexi和Bacteroidetes。在属水平水平上,接种污泥中的菌属主要是未分类;而阳极碳毡上的菌属分布主要以Petrimonas、Comamonas和Bellilinea为主。
【学位单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X703
【部分图文】：

长安大学硕士学位论文实验方法由亚克力制成的双室型，单室有效体积为 500mL，两膜面积为 49cm2。阴阳两极的电极材料是由碳棒串，并外接可变电阻箱，构成回路。电压信号采集系MFC 装置实物图如图 2.1 所示。有的无机金属离子和有机物杂质会增大 MFC 的内料和质子交换膜进行预处理。碳毡经去离子水冲l/L NaOH 中浸泡 2h，以去除表面杂质，最后在去离膜先在 80℃的 5%H2O2中煮 1h，然后用蒸馏水冲洗煮 2h，最后用去离子水冲洗至 pH 为中性，阴凉干

OTUs/Reads=86557/4123=4.76%。从测序结果可知，两个样本的 Reads、OTs/Reads 都有较大的差异，说明接种污泥和 MFC 稳定产电时的阳极生物膜群间有显著的差异性。ACE 和 Chao1 是用来计算微生物群落丰度的指数[119]，两者的数值越大，说度越高，比较两个样本，可知阳极碳毡上的群落丰度更高。Shannon 和 Sim来计算微生物群落多样性的指数[120]，shannon 数值越大，说明群落多样性pson 指数越大，说明群落多样性越低，从两个样本的分析结果来看，接种污多样性更高。Coverage 表示样本文库的覆盖率，其数值越大，则样本中的序出来的概率越低，两个样本中的 Coverage 都超过 0.92，说明样本文库具有较率，可以真实地反映出微生物群落的分布情况。2 微生物在门水平上的群落结构两个样本中的微生物在门水平上的组成及相对丰度如图 5.19 所示。
【参考文献】

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本文编号：2860816