污泥底物微生物脱盐电池性能及处理后污泥改良盐碱土效果

发布时间：2020-07-30 21:34

【摘要】：城市污水处理厂污泥的大量产生已成为目前亟待解决的环境问题，转变污泥处置思路，寻求合理的污泥资源化途径是当前研究的重点。微生物脱盐电池（Microbial Desalination Cells, MDC）能够在利用污泥中的有机物进行产电的同时淡化盐水，为污泥的能源化资源化利用提供了新的契机。然而，目前对于MDC系统性能的研究尚处于初步阶段，在底物研究中，直接采用城市污水处理厂常规脱水处理后产生的污泥作为阳极底物的报道还很少，而对于产电后剩余阳极污泥的后续资源化也有待进一步深入研究。本文提出了将脱水污泥作为MDC阳极底物进行产电、脱盐的能源化利用方式，以及利用处理后的阳极污泥改良盐碱化土壤的资源化利用方式。为了提高MDC性能和有效避免由于脱盐导致的阳极污泥盐分过量累积，对MDC构型进行了改进，构建了五室微生物脱盐电池（5c-MDC）、五室微生物电容型脱盐电池（5c-MCDC）和七室微生物双脱盐电池（7c-MDDC）三种构型的MDC，并研究它们的产电脱盐性能、阳极污泥中有机物降解、重金属形态转化和植物营养特征变化规律，进而研究了脱水污泥和阳极处理后污泥对盐碱化土壤的改良作用和重金属的潜在生态风险。研究结果表明：以脱水污泥为阳极底物的MDC具有启动快（5~6d），长期运行稳定的优势（200~300d）。三种构型的MDC产电效率相近，且以5c-MDC的产电效率最高，Pmax可达3.178W/m3。脱盐性能方面，5c-MDC的脱盐效率最高，且脱盐效率随着NaCl初始浓度的升高而降低，即61.48±0.10%（2g/L）52.50±0.26%（10g/L）48.30±0.61%（35g/L）。5c-MCDC和7c-MDDC均可以有效避免阳极污泥盐分的增加。在污泥降解方面，7c-MDDC的效果最好，运行42d阳极污泥的有机质去除率达到17.71%，200d达到32.7±0.81%，且污泥中速效氮、磷、钾含量的增加最为明显。运行42d阳极污泥浸提液种子发芽指数可达到66.63±3.02%。对5c-MDC与7c-MDDC长期运行性能的研究中发现：随运行时间的延长，阳极污泥的pH值始终维持在6.5~7.5之间，污泥溶解性有机物中腐植酸类荧光峰强度明显增加，重金属形态组成中稳定的残留态比例明显增加，重金属的生物有效性降低明显。以脱水污泥和阳极污泥改良盐碱化土壤的结果表明：两者均可以降低土壤的容重、pH值、碱化度，并增加土壤中有机质、总氮、总磷、速效氮、磷、钾的含量，且阳极污泥的效果要优于脱水污泥。当污泥投加比例超过30%可使土壤容重降低到1g/cm3以下，pH降低1~2个单位，碱化度降低到30%以下，并使得土壤有机质增加2.0~5.9倍，总氮增加1.5~4.6倍，总磷增加1.5~4.5倍，速效氮增加3.7~10.5倍，速效磷增加4.1~19.7倍，速效钾增加1.1~1.8倍；随孵育时间的延长，施用污泥后土壤的容重、pH值、碱化度、有机质、总氮含量持续降低；速效氮、磷、钾含量逐渐增加。种子发芽试验和作物盆栽实验均得到了污泥合理投加比例为30%~50%。经过长期孵育和植物生长后，施用污泥的盐碱化土壤中0.05~1mm微团聚体比例增加，土壤溶解性有机物中溶解性微生物产物、富里酸和腐植酸的荧光强度均有所增加，表明污泥的施用促进了团聚体的形成，增加了土壤中微生物的活性，提高了土壤的腐殖化程度。然而，两种污泥的施入均会增加土壤中重金属的生态风险，在施用初期重金属生物有效性也有所增强，但重金属含量仍明显低于土壤环境质量标准，形态上仍以残留态比例最高。经过长期的孵育，除As外，其余元素生物有效性均有所降低，并向更稳定残留态转化。5种可检测到的重金属和类重金属元素在土壤/小麦和土壤/紫花苜蓿中的富集系数依次是Ni，Zn，B，Cu，Cr，且同种元素在紫花苜蓿中的富集系数大于在小麦种的富集系数。本文提供了一条系统化的脱水污泥综合利用途径，可为MDC的性能优化与功能拓展，以及污泥改良盐碱化土壤的实践提供一定的理论依据。
【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】：2014
【分类号】：X703.1
【图文】：

工作原理图,能量损失,因素分析,电池性能

Fig.1-1 Working principle of MDC脱盐电池性能的因素分析池在理想状态下的热力学电压 Ethermo（V）可实际运行过程中难免出现能量损失，因此实去各种主要的能量损失的电压，如式（1-6）[ ln( )0RTEE

技术路线图

示意图,反应器结构,阴离子交换膜,示意图

Fig. 2-1 Schematic of biocathode 5c-MDC reactor（2）石墨粒；（3）阴离子交换膜；（4）阳离子交换膜；（5）Ag/氧泵；（7）曝气头；（8）气泡；（9）电阻箱；（10）进口；（12）取样口te fiber brush; (2) graphite granules; (3) anion-exchange membraon-exchange membranes (CEM); (5) Ag/AgCl reference; (6) air (8) air bubbles; (9) external resistance; (10) inlet; (11) outlet; (12

【参考文献】