论文部分内容阅读
污水主要分为工业废水和生活污水两大类，工业废水含有较高浓度的有机物而生活污水有机物浓度较低。污水处理中，对于较高浓度的有机废水常采用厌氧生物处理，而如生活污水一般的较低浓度污水则一般通过好氧方式进行处理。但是，无论哪种污水的何种处理方式，均存在着工艺复杂、处理效率低、能耗高、水力停留时间长、能源回收率低等问题。现今，面对我国污水排放量日益递增的趋势以及能源短缺的局势，加之国家对环境保护及其污染治理的的严格要求，开发研究新型的污水处理技术显得尤为重要。 甲烷作为天然气、沼气的主要成分，主要通过生物厌氧发酵的方式生产。但是传统的厌氧发酵大多需要在较高浓度的有机底物和较长的水力停留时间条件下才能完成，并且其发酵残液需做进一步好氧处理才能排放。可见，寻求一种能够连续稳定生产甲烷但处理时间较短且无需后续好氧处理的工艺方法是十分必要的。 微生物电解池（Microbial electrolysis cell,简称MEC）是一种通过施加外电压以实现某种反应过程或者获得某种产物的微生物电化学系统(BES)。已有大量研究表明:MEC中的电活性微生物能够以污水中的碳水化合物为底物，处理污水的同时回收清洁能源H2和CH4。能够实现污水的绿色处理。但目前，MEC处理污水及其回收能源物质的研究大都还停留在批式运行阶段，结合连续流工艺处理污水的研究，鲜有报道。本研究拟采用连续流的工艺，以传统的厌氧发酵(AD)为对照，将污水分为有机浓度较高的有机废水（COD≧2000 mg L-1）和COD浓度较低的生活污水，分别研究连续流的状态下，水力停留时间（HRT），有机负荷(OLR)和外加电压(Vapp)对系统COD的去除效率和甲烷生产情况的影响作用。 研究结果显示:与传统的厌氧发酵对比，连续流微生物电解池对不同浓度污水处理的效率更高，甲烷的产率也较高。实验过程中污水COD的去除效率和甲烷的生产情况由HRT，OLR和Vapp共同作用。其中:同样的OLR，HRT下，随着Vapp(0.6 V，1.0 V，1.2 V，1.4 V)的升高，微生物电解池COD的去除效率有一定程度的提高，同时甲烷的产率也随之升高。当进水COD浓度为250 mgL-1，HRT为2h，OLR为3.0 Kg m-3 d-1时，Vapp从1.0 V增加到1.2 V，污水COD去除率从59％增加到82％，甲烷产生速率从119mL L-1 d-1增加到240 mL L-1 d-1。在进水COD浓度为1178 mg L-1，HRT为8h，OLR为3.5 Kg m-3 d-1，Vapp为1.2V的条件下，COD去除率达97.7％，甲烷产生速率达1071 mL L-1 d-1，较之普通厌氧发酵（对照组），其COD去除率和甲烷产速率分别高了31.5％和123％;当进水COD浓度为4812 mg L-1，HRT为20 h，OLR为5.7 Kg m-3 d-1，Vapp为1.2 V时，甲烷的产生速率达1888 mL L-1 d-1，达理论产率的98.0％，而此条件下对照组甲烷产生速率仅为理论值的64.9％。 MEC电能的消耗和能量回收与其Vapp和OLR密切相关。研究结果显示，同样OLR下，随着Vapp的增加，MEC的能量回收率降低。但在此过程中，MEC的电能消耗与OLR大小表现出负相关的关系，即OLR越低，MEC电能消耗越大。数据表明:当OLR为3.0 Kg m-3 d-1，Vapp从0.6V升高至1.0 V，1.2 V的过程中，能量的回收从826.5％降低至214.7％和207.5％。Vapp为0.6 V，OLR由3.5 kg m-3d-1提升至5.7 kg m-3d-1时，电解池能量消耗降低了79.3％。 对MEC和AD碳毡上的菌群进行循环伏安扫描和高通量分析，结果显示:MEC阳极碳毡上的菌群具有明显的电活性，优势菌群主要为methanogens与Geobacter sp.，其丰度分别占总菌群的53.3％和7.5％，而AD碳毡相应丰度仅为25.2％和0.7％且无电活性的特征。 据此，连续流微生物电解池能够很好的实现污水处理同步生产甲烷。在实验研究中可以通过优化外加电压、水力停留时间等因素来实现污水高效去除和甲烷稳定生产。为绿色污染治理技术的发展提供一定的参考价值。