MFC-MBR耦合工艺减缓膜污染及能量分配研究

发布时间：2017-07-07 07:08

  本文关键词：MFC-MBR耦合工艺减缓膜污染及能量分配研究

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【摘要】：作为一种高效的污水处理技术,膜生物反应器(Membrane Bioreactor, MBR)相比传统活性污泥法具有其特殊的优势。然而,MBR在实现泥水分离的过程中,普遍存在着膜污染现象,运行成本相对较高,是限制其发展的主要因素。研究表明,附加电场可以有效控制膜污染,但增加了运行成本。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)可以将有机物中的化学能直接转化为电能,在处理污水的同时,产生清洁能源。本研究采用一种单室无膜式连续流微生物燃料电池,通过改变进水条件提高其产电性能,并将将其产生的电能以电场的形式附加到MBR中,构建了一种新型MFC-MBR耦合工艺。以常规MBR(Conventional Membrane Bioreactor, CMBR)为对照,该耦合系统能够有效减缓膜污染,提高污水处理效果,研究表明：(1)采用低浓度溶解氧进水有利于提高无膜单室微生物燃料电池的产电性能。当微生物燃料电池进水由原水改为缺氧池上清液后,其电压由0.44+0.02V迅速上升到0.52+0.02V并保持稳定,开路电压由0.49V提高到0.65V；最大功率密度由45mW/m2提高到59mW/m2,提高了31%；而库伦效率由3.87%提高到约为8.56%,提高了一倍多。(2)附加电场可以有效控制膜污染。通过红外光谱分析(Fourier transform infrared spectrum, FTIR)可以确定附加电场可以有效降低多糖、蛋白质和腐殖酸等污染物的附着速率,并以控制多糖类物质为主,提高了滤饼层中蛋白质的比例。’相对于胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substance, EPS)而言,溶解性微生物代谢产物(Soluble Microbial Products, SMP)更容易附着到膜表面,形成膜污染。(3)附加电场对活性污泥具有一定的改性作用,影响微生物代谢活性,可以有效控制污泥混合液SMP中的多糖物质(SMPC)降低幅度达到34.5%。附加电场可以提高活性污泥的絮凝性,使Zeta电位(绝对值)由CMBR的22.8mV下降到18.2mV,并促进丝状菌的适度生长,增大絮体粒径并增强污泥絮体结构性能。污泥平均粒径由CMBR的120μm提高到138gm,且粒径分布更加集中絮体更加均匀,粒径小于50μm的污泥絮体降低了37.4%。(4)MFC-MBR耦合系统具有更好的处理效果,其膜出水COD约为38mg/L,相对于CMBR的54mg/L, COD的去除率更高。经过能量分配计算,进水中仅有0.5%左右的能量转化为电能,虽然转化率很低,但是这是一种同步自给式的清洁能源,可以从污水中直接提取能源并有效减缓膜污染,降低能耗。
【关键词】：膜生物反应器 微生物燃料电池 膜污染 电场 能量分配
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 学位论文的主要创新点3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 膜生物反应器9-13
• 1.1.1 膜生物反应器简介9-10
• 1.1.2 膜污染研究现状10-12
• 1.1.2.1 膜污染的概念及机理11
• 1.1.2.2 膜污染的影响因素11-12
• 1.1.3 膜污染控制方法12-13
• 1.2 微生物燃料电池13-15
• 1.2.1 微生物燃料电池简介13
• 1.2.2 微生物燃料电池研究现状13-14
• 1.2.3 微生物燃料电池的应用14-15
• 1.3 MFC-MBR耦合系统15-16
• 1.3.1 MFC-MBR耦合系统的优势15-16
• 1.3.2 MFC-MBR耦合系统的研究现状16
• 1.4 研究的内容及意义16-19
• 1.4.1 研究的内容16-17
• 1.4.2 研究的意义17-19
• 第二章 实验装置及分析方法19-25
• 2.1 实验装置及运行条件19-21
• 2.1.1 实验装置19-20
• 2.1.2 运行条件20-21
• 2.2 MFC电极材料的制备及产电性能评价21-23
• 2.2.1 阳极碳毡预处理21-22
• 2.2.2 空气阴极制备22
• 2.2.3 MFC功率密度和极化曲线测定22
• 2.2.4 MFC的库伦效率(C_E)22-23
• 2.3 测试方法23-25
• 2.3.1 基本水质测试方法23
• 2.3.2 SMP及EPS的提取及测定23
• 2.3.3 红外分析23-24
• 2.3.4 三维荧光光谱分析24
• 2.3.5 Zeta电位及污泥粒径分布测定24
• 2.3.6 光学显微镜分析24-25
• 第三章 MFC产电性能25-31
• 3.1 引言25
• 3.2 MFC的接种和启动过程25-26
• 3.3 不同进水水质对MFC产电性能的影响26-29
• 3.3.1 不同进水水质对MFC电压输出的影响26-27
• 3.3.2 不同进水水质对MFC极化曲线输出的影响27-28
• 3.3.3 不同进水水质对MFC功率输出的影响28-29
• 3.4 本章小结29-31
• 第四章 MFC-MBR耦合系统的膜污染控制效果及机理分析31-45
• 4.1 引言31
• 4.2 MFC-MBR耦合系统的膜污染控制效果分析31-36
• 4.2.1 膜污染过程分析31-33
• 4.2.2 膜面污染物红外分析33-35
• 4.2.3 膜面污染物组成分析35-36
• 4.3 MFC-MBR耦合系统的膜污染控制机理分析36-42
• 4.3.1 活性污泥中SMP及EPS分析36-39
• 4.3.1.1 SMP及EPS组成研究36-37
• 4.3.1.2 SMP及EPS三维荧光特性研究37-39
• 4.3.2 活性污泥絮凝性分析39-42
• 4.3.2.1 Zeta电位分析40
• 4.3.2.2 光学显微镜镜检分析40-41
• 4.3.2.3 污泥粒径分析41-42
• 4.4 本章小结42-45
• 第五章 MFC-MBR耦合系统能量分配研究45-53
• 5.1 前言45
• 5.2 各单元的COD去除效果分析45-48
• 5.2.1 缺氧池的COD去除效果分析45-46
• 5.2.2 MFC对COD去除效果分析46-47
• 5.2.3 好氧池的COD去除效果分析47
• 5.2.4 膜出水的COD去除效果分析47-48
• 5.3 能量分配计算方法及分析48-51
• 5.3.1 能量分配计算方法48-49
• 5.3.2 能量分配计算分析49-50
• 5.3.3 进水COD浓度对耦合系统能量分配的影响50-51
• 5.4 本章小结51-53
• 第六章 结论与建议53-55
• 6.1 结论53-54
• 6.2 建议54-55
• 参考文献55-61
• 发表论文和参加科研情况说明61-63
• 致谢63

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