微生物燃料电池处理含S 2- /NH 4 + 废水的研究
发布时间：2021-03-31 02:40
以除硫硝化微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,MFC）处理含S2-/NH4+的模拟无机废水,研究了不同进水S2-浓度下MFC的产电性能、污染物去除效果和阳极室硫累积情况.结果表明,除硫硝化MFC可实现同步阳极除硫和阴极硝化,并通过非生物电化学作用和生物电化学作用共同产电.进水S2-浓度为（60.8±2.9）、（131.7±2.4）、（161.7±4.5）和（198.1±3.1）mg·L-1时,最佳阳极碳刷清洗周期分别为3、3、3、4个换水周期,前3个进水浓度下的换水周期可分别缩短为6、8和8 h.MFC阴极硝化完全,不受进水S2-浓度影响,但氧从阴极向阳极的渗漏导致阳极库仑效率较低（<40%）.适当增加进水S2-浓度可增强MFC的产电性能并提高S2-去除负荷和颗粒硫累积比.除硫硝化MFC适宜的进水S2-浓度为（161.7±4.5）mg·L
【文章来源】：环境科学学报. 2017,37(08)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
除硫硝化MFC装置示意图
测限，硝化完全(数据未列出)．这是因为由阳极传递到阴极的电子主要通过生物和非生物电化学作用被氧化(而不是被硝化菌利用)，硝化菌不参与阴极电化学反应，其硝化效果主要与供氧量有关．试验发现，换水周期结束时MFC阳极室存在显著的NH+4损失(损失率约35．2%～58．0%)．由于阳极室没有接种污泥，且进水pH维持在中性，推测NH+4由阳极室透过质子膜向阴极室发生了迁移并被氧化为NO－3．Kim等(2008)在MFC研究中也发现了NH+4由阳极室向阴极室的迁移．3．2．2阳极碳刷清洗周期内MFC的产电性能如图2a所示，最大功率密度随着阳极进水S2－浓度的增加而提升，阳极进水S2－浓度为(60．8±2．9)、(131．7±2．4)和(161．7±4．5)mg·L－1时，最大功率密度分别为3．39、4．15和5．77W·m－3，相应的周期产电量分别为(60．0±0．4)、(107．7±5．1)和(141．0±5．2)C(根据表2统计)．Zhao等(2008)以MFC处理含SO2－4废水时也发现，MFC电流一定程度上取决于S2－浓度的高低．当阳极进水S2－浓度从(161．7±4．5)mg·L－1上升到(198．1±3．1)mg·L－1时，最大功率密度仅增加0．57W·m－3．如图2b所示，进水S2－浓度由(60．8±2．9)mg·L－1提高至(131．7±2．4)mg·L－1时，阳极库仑效率由21．5%±3．3%增加到32．9%±4．3%．但当进水S2－浓度进一步提高到(161．7±4．5)和(198．1±3．1)mg·L－1时，阳极库仑效率反而下降．可能原因是:阳极碳刷上的电子接受点位和阴极电活性微生物的电子消耗能力有限，更多比例的S2－主要通过化学氧化作用及生物氧化作用得以去除，生物氧化由阳极室器壁和质子膜上的硫氧化菌催化完成．在MFC阳极同时去除S2－与NO
环境科学学报37卷学氧化、非生物电化学反应及微生物反应共同催化了SO2－4的生成．每个进水浓度下换水2h内即有SO2－4生成(4．0～18．5mg·L－1)，表明MFC阳极难于使S2－全部氧化为S．每个进水浓度下SO2－4浓度随运行时间缓慢增加，待S2－耗尽后，生成的S仍继续氧化生成SO2－4，硫素平衡分析可知S2－耗尽时S生成量接近最大值．图3不同进水S2－浓度下最后一个换水周期内的S2－和SO2－4浓度变化(a．(60．8±2．9)mg·L－1条件下的第3个周期，b．(131．7±2．4)mg·L－1条件下的第3个周期，c．(161．7±4．5)mg·L－1条件下的第3个周期，d．(198．1±3．1)mg·L－1条件下的第4个周期)Fig．3ConcentrationvariationofS2－andSO42－duringthelastbatchatdifferentsulfidefeedingconcentrations(a．thethirdbatchfor(60．8±2．9)mg·L－1，b．thethirdbatchfor(131．7±2．4)mg·L－1，c．thethirdbatchfor(161．7±4．5)mg·L－1，d．thefourthbatchfor(198．1±3．1)mg·L－1)3．3．2换水周期内MFC的产电性能如图4所示，各进水浓度下的MFC输出电压和阳极电势与阳极S2－浓度密切相关．结合图3与图4发现，阳极S2－浓度低于6．2～17．4mg·L－1时，阳极电势上升至－23～－70mV，电压值开始快速下降．阳极S2－耗尽(＜0．5mg·L－1)时，阳极电势变为正值，但电压并未降至0mV(16～31mV)，S通过电化学作用进一步氧化成SO2－4是MFC继续产电的原因．由图4a可知，每个进水S2－浓度下最后1个运行周期内MFC的输出电压总体呈先上升后下降的趋势，更换废水后MFC需重新适应相应浓度的水质，因此，初始电压并非最高值，后期随着S2
【参考文献】：
期刊论文
[1]反硝化脱硫微生物燃料电池的可行性研究[J]. 魏炎,张少辉,赵丽,桑稳姣. 环境科学学报. 2016(08)
[2]Performance and recent improvement in microbial fuel cells for simultaneous carbon and nitrogen removal: A review[J]. Haishu Sun,Shengjun Xu,Guoqiang Zhuang,Xuliang Zhuang. Journal of Environmental Sciences. 2016(01)
[3]反硝化脱硫工艺中生物硫分布特征及分离方法[J]. 远野,王爱杰,马素丽,陈川,赵友康,谭文勃,黄聪,徐熙俊,孙德智. 哈尔滨工业大学学报. 2014(08)
[4]微生物燃料电池表观内阻的构成和测量[J]. 梁鹏,范明志,曹效鑫,黄霞,王诚. 环境科学. 2007(08)
[5]Nafion膜厚度对质子交换膜燃料电池性能的影响[J]. 于景荣,衣宝廉,韩明,毕可万,杜学忠,明平文. 电源技术. 2001(06)
本文编号：3110620
【文章来源】：环境科学学报. 2017,37(08)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
除硫硝化MFC装置示意图
测限，硝化完全(数据未列出)．这是因为由阳极传递到阴极的电子主要通过生物和非生物电化学作用被氧化(而不是被硝化菌利用)，硝化菌不参与阴极电化学反应，其硝化效果主要与供氧量有关．试验发现，换水周期结束时MFC阳极室存在显著的NH+4损失(损失率约35．2%～58．0%)．由于阳极室没有接种污泥，且进水pH维持在中性，推测NH+4由阳极室透过质子膜向阴极室发生了迁移并被氧化为NO－3．Kim等(2008)在MFC研究中也发现了NH+4由阳极室向阴极室的迁移．3．2．2阳极碳刷清洗周期内MFC的产电性能如图2a所示，最大功率密度随着阳极进水S2－浓度的增加而提升，阳极进水S2－浓度为(60．8±2．9)、(131．7±2．4)和(161．7±4．5)mg·L－1时，最大功率密度分别为3．39、4．15和5．77W·m－3，相应的周期产电量分别为(60．0±0．4)、(107．7±5．1)和(141．0±5．2)C(根据表2统计)．Zhao等(2008)以MFC处理含SO2－4废水时也发现，MFC电流一定程度上取决于S2－浓度的高低．当阳极进水S2－浓度从(161．7±4．5)mg·L－1上升到(198．1±3．1)mg·L－1时，最大功率密度仅增加0．57W·m－3．如图2b所示，进水S2－浓度由(60．8±2．9)mg·L－1提高至(131．7±2．4)mg·L－1时，阳极库仑效率由21．5%±3．3%增加到32．9%±4．3%．但当进水S2－浓度进一步提高到(161．7±4．5)和(198．1±3．1)mg·L－1时，阳极库仑效率反而下降．可能原因是:阳极碳刷上的电子接受点位和阴极电活性微生物的电子消耗能力有限，更多比例的S2－主要通过化学氧化作用及生物氧化作用得以去除，生物氧化由阳极室器壁和质子膜上的硫氧化菌催化完成．在MFC阳极同时去除S2－与NO
环境科学学报37卷学氧化、非生物电化学反应及微生物反应共同催化了SO2－4的生成．每个进水浓度下换水2h内即有SO2－4生成(4．0～18．5mg·L－1)，表明MFC阳极难于使S2－全部氧化为S．每个进水浓度下SO2－4浓度随运行时间缓慢增加，待S2－耗尽后，生成的S仍继续氧化生成SO2－4，硫素平衡分析可知S2－耗尽时S生成量接近最大值．图3不同进水S2－浓度下最后一个换水周期内的S2－和SO2－4浓度变化(a．(60．8±2．9)mg·L－1条件下的第3个周期，b．(131．7±2．4)mg·L－1条件下的第3个周期，c．(161．7±4．5)mg·L－1条件下的第3个周期，d．(198．1±3．1)mg·L－1条件下的第4个周期)Fig．3ConcentrationvariationofS2－andSO42－duringthelastbatchatdifferentsulfidefeedingconcentrations(a．thethirdbatchfor(60．8±2．9)mg·L－1，b．thethirdbatchfor(131．7±2．4)mg·L－1，c．thethirdbatchfor(161．7±4．5)mg·L－1，d．thefourthbatchfor(198．1±3．1)mg·L－1)3．3．2换水周期内MFC的产电性能如图4所示，各进水浓度下的MFC输出电压和阳极电势与阳极S2－浓度密切相关．结合图3与图4发现，阳极S2－浓度低于6．2～17．4mg·L－1时，阳极电势上升至－23～－70mV，电压值开始快速下降．阳极S2－耗尽(＜0．5mg·L－1)时，阳极电势变为正值，但电压并未降至0mV(16～31mV)，S通过电化学作用进一步氧化成SO2－4是MFC继续产电的原因．由图4a可知，每个进水S2－浓度下最后1个运行周期内MFC的输出电压总体呈先上升后下降的趋势，更换废水后MFC需重新适应相应浓度的水质，因此，初始电压并非最高值，后期随着S2
【参考文献】：
期刊论文
[1]反硝化脱硫微生物燃料电池的可行性研究[J]. 魏炎,张少辉,赵丽,桑稳姣. 环境科学学报. 2016(08)
[2]Performance and recent improvement in microbial fuel cells for simultaneous carbon and nitrogen removal: A review[J]. Haishu Sun,Shengjun Xu,Guoqiang Zhuang,Xuliang Zhuang. Journal of Environmental Sciences. 2016(01)
[3]反硝化脱硫工艺中生物硫分布特征及分离方法[J]. 远野,王爱杰,马素丽,陈川,赵友康,谭文勃,黄聪,徐熙俊,孙德智. 哈尔滨工业大学学报. 2014(08)
[4]微生物燃料电池表观内阻的构成和测量[J]. 梁鹏,范明志,曹效鑫,黄霞,王诚. 环境科学. 2007(08)
[5]Nafion膜厚度对质子交换膜燃料电池性能的影响[J]. 于景荣,衣宝廉,韩明,毕可万,杜学忠,明平文. 电源技术. 2001(06)
本文编号：3110620
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