微生物电化学中试系统构型设计、能耗分析及处理效能评价

发布时间：2020-04-07 00:14

【摘要】：微生物电化学系统(Microbial electrochemical systems,MESs)是利用电化学活性微生物催化降解废水中有机物并产生电能的技术。它具有低成本运行和废水能源化等特性,其在电极材料开发、构型优化、电子传递机理和功能扩展等方向均取得了长足的进步。然而,目前的MES研究仍然局限在实验室规模阶段,MES中试和实用化的工作仍然欠缺。目前,MES中试存在的问题主要是缺乏适于放大的MES构型、具备稳定性的阴极系统和放大过程的关键问题研究。针对上述问题,本论文主要着眼于探寻适于放大的MES构型、探索匹配中试MES的阴极系统、寻求成本合理的隔膜系统,并最终设计和构建立方米级别的MES。探究放大系统在污水厂实地工况下的运行调控策略。本研究采用堆栈放大的策略进行中试MES的构建,首先构建了单模块空气阴极MES反应器。单模块空气阴极MES反应器以葡萄糖为底物批次流运行时可以获得518 m W/m2最大功率输出。在连续流运行模式下,考察不同水力停留时间(HRT)下系统的产电性能。系统在HRT为3天时获得最大的净能量为1.93×10-3 k Wh,底物的去除速率为0.226 kg COD/m3/d。通过构建基于单模块空气阴极MES反应器的MES-IABF复合系统,考察以MES为基础的复合系统实现能量自持运行和污水深度处理的可能性。该复合系统借助电能管理系统实现电能的回收利用。在能量平衡方面,MES的产能为0.27 k Wh/m3,系统的进水能耗和曝气能耗分别为0.014和0.22 k Wh/m3,能量损失为0.036 k Wh/m3。在污染物去除方面,系统取得91.7%的COD去除率和0.28 kg COD/m3/d底物去除速率。长期运行结果显示,阴极性能出现下降导致MES产电性能出现下降。利用单模块空气阴极MES,通过堆栈的方式实现百升级别反应器的构建。并以啤酒废水为处理对象,考察系统用于实际废水处理的性能。系统分别以啤酒废水稀释废水和原水作为唯一底物进行两阶段运行,获得了COD去除率分别为84.7%和87.6%,对应的污染物去除速率为0.23和0.49 kg COD/m3/d。两个阶段的TOC去除率均为85%,出水浓度分别为33.4±13.7和126.1±14.5 mg/L。堆栈系统对于啤酒废水中大量的SS去除作用显著,两阶段运行分别获得了81.7%和86.3%的去除率。该堆栈系统同样借助电能管理系统实现了实际废水条件下的能量自持运行。在6个月的运行中,堆栈系统中的5个单模块的平均输出功率从初期的171±8.4 m W/m2下降至结束时的150±9.1 m W/m2,平均输出电流也从0.059±0.01 A/m2下降至0.55±0.02 A/m2。同时观察各个模块的阴极均出现结构上的损伤,导致系统溶液的外渗。在水流方向上底物逐渐消耗,导致下游的模块产电性能显著低于上游的模块。鉴于空气阴极在实际废水处理过程中的存在制备和运行上劣势,构建曝气式生物阴极MES模块考察生物阴极用于实际废水处理的性能。以生活污水作为唯一底物,通过调节系统运行的气水比降低生物阴极MES的运行能耗,并实现污水达标排放。系统的功率输出和气水比符合monod方程的关系,其理论最大的功率输出为20.4±1.0 W/m3,半饱和气水比为5.9±0.9。拟合结果表明了增加阴极的曝气强度能够在一定范围内有效地提高系统的产电性能,但是也会同时增加系统的运行成本。在气水比为范围为2.3至28.6时,系统可以获得正的能量平衡,其中最大的净能量生成为9.09×10-3 k Wh/m3(气水比17.1)。在污染物去除方面,系统获得最大的COD去除率为98.3±0.3%,相应的出水为6.0±1.0 mg/L。最高总氮去除率为80.0±0.9%,出水氨氮稳定在0.2±0.1 mg/L,主要的出水指标均达到国家污水排放标准一级A标准。这些结果表明了生物阴极对于系统产电性能没有显著的限制作用,同时能够协助阳极进行污染物的去除,尤其对氨氮的去除作用十分显著。以中试MES构建和运行为最终目的,以现有构型作为放大的基础,选取生物阴极作为放大的阴极系统。该电极分置式中试MES总体积为1.5 m3,在污水厂实际工况条件下运行,并以污水厂初沉池出水作为系统进水。启动完成后,系统获得0.30±0.05 V的稳定电压和1.0±0.17 A/m3的稳定电流。系统平均出水COD浓度和去除率分别为25±7 mg/L和91±3%,平均氨氮去除率和出水浓度为91±3%和3±1 mg/L,平均总氮去除率和出水浓度为64±2%和13±2mg/L,主要的出水指标均达到一级A的排放标准。在反应器构建时,通过对部分的生物阴极采用疏水化处理,强化生物阴极在低曝气强度下的氧还原性能。在系统运行时,通过调节运行的气水比实现系统的低能耗运行,通过周期性的倒极运行实现底物在系统内部均匀的分布。最后,对中试MES的能量平衡和成本进行有效核算。系统产能为1.93×10-3k Wh/m3,系统的能耗主要分为进水能耗和曝气能耗,分别为6.8×10-5和3.63×10-2k Wh/m3。因此,最终的能量平衡为-0.034 k Wh/m3。系统的总构建成本为$1702.1,其中碳纤维刷的成本占总成本的52.5%(碳纤维,$515.08;钛丝,$378.8)。而采用生化棉和多孔板构成的隔膜系统大幅降低了系统的构建成本,仅仅占到总成本的14.5%。其它的占比较小的构建成本主要在于PVC板材和电子元件等小耗材的投入。而通过进一步的工业化规模的设计和生产,最终的系统成本也会大幅降低。
【图文】：

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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

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