动态微生物隔膜微生物电化学系统构建及水处理效能研究

发布时间：2020-11-12 16:10

　　 微生物电化学技术(Microbial electrochemical technology,MET)作为新兴的污水处理技术,集有机污染物高效降解、低能耗、能量回收、剩余污泥产量低等诸多优点于一体,近年来受到研究学者的广泛关注。然而,典型的微生物电化学系统(Microbial electrochemical system,MES)中以离子交换膜等膜材料作为分隔极室边界的介质,其高昂的成本造价限制了该技术的推广与普及应用。同时离子交换膜的使用阻断了MES极室间水力学上的连续性,在实际应用中,若要保证其水力学连续性就必须设置绕流,又增加了其构型上的复杂性。另外还存在以实际污水为底物运行的MES中物质去除、能量流向以及污泥产率等规律目前尚不明确,MES的构型还需要进一步优化以提高污染物去除与能量输出性能等问题。为了解决上述问题,将MES进一步地推向实际应用,开发出具有小规模污水处理潜力的MES设备,本文从以下几个方面进行研究:本文设计并构建了基于动态微生物隔膜(Dynamic biofilm separator,DBS)模型的生物阴极MES(DBS-MES),以下简称为“动态膜MES”。对比了该系统和典型的离子交换膜系统的输出特性,结果表明动态膜MES获得了5.99±0.11A/m3的输出电流密度,与离子交换膜系统相比提高43%。进一步地监测动态膜MES启动及运行期间的各极室相应参数,结果表明动态膜的存在可以有效的限制COD与DO的直接扩散,同时由于该多孔材料的应用,阳极溶液不需要通过绕流而可以直接进入阴极室,保证了系统内部水力的连续性,对于实际应用动态膜的引入不仅解决了典型MES中离子交换膜高昂的成本造价问题而且解决了系统内的传质与扩散问题。MES中涉及微生物好氧代谢、厌氧代谢、生物电化学等多种过程,掌握该耦合过程的物质和能量平衡特性对于优化系统和指导应用具有重要的意义。本文中分别考察了最大输出功率点(Maximum power density,Pmax)、最大输出电流点(Maximum current density,Imax)以及开路状态(Open circuit,OC)下各MES的物质去除与能量耗散特征,结果表明产电运行状态可有效提高污染物去除效率,使MES出水COD稳定在50 mg/L(一级A标准)以下,Pmax和Imax状态对于污染物去除的差异不明显,但Imax状态具有高达90±2%的能量去除效率。同时本文阐明了MES表观污泥产率较低的可能内在机理,即电流的存在促进了微生物的分解代谢,而表观污泥产率较低是MET区别于常规水处理技术的优势之一。为了进一步提高动态膜MES的污染物去除与能量输出性能、优化构型,本文对MES的电极堆栈模式进行了讨论,结果表明电极比例为1:2的MES具有更高的输出性能,进一步地,阴阳极比例为2:1的不对称堆栈MES输出功率密度更高,达到了721±25 m W/m3,各MES均表现出了相似的污染物去除能力。同时本文就动态膜基体材料的选择提出来相应的评价方法,通过测定特定分隔材料的COD、DO传质系数以及电荷转移阻值,结合输出功率密度曲线,确定当COD、DO传质系数以及电荷转移阻值在1.78×10-3cm/s、0.85×10-3 cm/s、6.784Ω时,该多孔材料可满足动态膜基体材料的要求。同时总结出影响MES长期运行稳定性关键问题,提出并验证了相应的运行策略,即“循环饥饿厌氧”是保持MES污染物去除与输出性能稳定的有效策略之一。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X703
【部分图文】：

第 1 章 绪 论景以及研究意义污染现状或缺的自然资源，是人类、动植物及微生物进行生命活断发展，人类对于水的需求愈加强烈，城镇化、工业化水资源，这些因素直接或间接地导致了各类水环境的持状况公报[1]显示，全国地表水 1940 个考断面中Ⅰ类结果 2.4%，Ⅲ类以上水质共占 51.6%，这意味着污染较为8.4%。其中，Ⅴ类、劣Ⅴ类水质的比例占到了 15.5%，大之中。例如，在重度污染的海河流域，劣Ⅴ类水质占该 41.0%，污染物如 COD、BOD 以及氨氮等不断排入水水体功能。

图 1-2 微生物电化学系统原理与阴极室内还原半反应形成了完整耗与能量的输出。统的研究现状剂的种类，我们可以将微生物电化中，化学阴极以王鑫等人[9]开发的还原催化剂。在生物阴极 MES 中，进一步地，根据生物阴极中电子受体系统。厌氧生物阴极中，如 Holme受体的 MES。除此之外，硫酸盐、厌氧系统的电子受体物质。好氧型生一层MnO2，利用MnO2的电化学还阴极过程；Clauwaert 等人[12]在筒催化还原过程；Ter Heijine 等2+3+

系统的运行的稳定性与输出性能。在上述研究的基础上总结相应的污染物去除与能量消耗规律，提出实际可行的系统构型以及运行策略。本研究的技术路线如图 1-3 所示，其中，基础工作部分见本文第 3 章，不同运行状态动态膜 MES 特性评价与优化见本文第 4 章，构型优化以及运行调控策略见本文第 5 章。
【参考文献】

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本文编号：2880946