徐 勛，王明澤，吳明松，趙慶良

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090；2. 東北大學(xué)秦皇島分校 資源與材料學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

微生物燃料電池處理剩余污泥及其產(chǎn)電特性

徐 勛1，王明澤2，吳明松2，趙慶良1

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090；2. 東北大學(xué)秦皇島分校 資源與材料學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

針對目前存在的剩余污泥處理問題，采用沉積型微生物燃料電池(SMFC)處理二沉池剩余污泥，考察了不同條件下其產(chǎn)電特性及污泥減量化情況.SMFC運(yùn)行一個(gè)周期(60 d)，無表面曝氣，不投加緩沖溶液的條件下獲得最大功率密度可達(dá)9.45 W/m3；表面曝氣和投加緩沖溶液均可提高SMFC的產(chǎn)電性能.閉路運(yùn)行SMFC一個(gè)周期后，TCOD、TSS、VSS去除率均顯著高于開路狀態(tài)，且底物中投加氧化物可以提高有機(jī)物的去除率.微生物燃料電池可以用來實(shí)現(xiàn)剩余污泥的減量，并同時(shí)產(chǎn)生電能.

剩余污泥；沉積型微生物燃料電池；功率密度；污泥減量

隨著城市污水排放量和處理率的逐年增加，污水處理所產(chǎn)生的大量剩余污泥已不容忽視[1].目前，大多數(shù)污水處理廠都將二沉池產(chǎn)生的剩余污泥經(jīng)過加藥脫水，脫水后的污泥隨意堆置，或進(jìn)行填埋、焚燒、堆肥等處理[2].大量的剩余污泥不僅占用土地，而且剩余污泥中的各種有機(jī)污染物和重金屬等會對土壤和地下水造成二次污染[3].目前所采用的各種污泥處理技術(shù)也都存在費(fèi)用高、占地大、二次污染等問題，因此剩余污泥的處理已經(jīng)成為制約污水處理發(fā)展的瓶頸.剩余污泥中有機(jī)物含量高，約占污泥干重的60%以上[4]，并隨著人們生活水平的提高有逐漸上升的趨勢，剩余污泥的處理與資源化利用相結(jié)合已經(jīng)勢在必行.

微生物燃料電池通過微生物的厭氧呼吸過程氧化底物、還原電極并輸出電能，底物包括各種類型的廢水[5]、底泥沉積物[6]、污泥中的有機(jī)質(zhì)等[7].Jiang等[7]使用微生物燃料電池處理污泥中的有機(jī)物，研究表明閉路運(yùn)行對污泥中總COD的去除率比開路對照高出8%，微生物燃料電池對污泥中的各種有機(jī)物有更高效的降解率.鄭峣等[8]研究了以剩余污泥為燃料的微生物燃料電池技術(shù)，考察了影響輸出功率的因素，得到的最大功率密度為256.12 mW/m2.趙慶良等[9]構(gòu)建以鐵氰化鉀為陰極電子受體的雙室微生物燃料電池，以剩余污泥為燃料時(shí)，獲得最大功率密度31.5 W/m3.研究表明，利用微生物燃料電池技術(shù)資源化利用剩余污泥是可行的，可以有效降解剩余污泥中的有機(jī)物，也能產(chǎn)生一定量的電能.但以往都研究大都集中在提高電池的產(chǎn)電性能上，且構(gòu)建的電池過于復(fù)雜，與實(shí)際應(yīng)用相差甚遠(yuǎn).本研究以城市二級污水處理廠的二次沉淀池為模型構(gòu)建單室沉積型微生物燃料電池，以二沉池剩余污泥為底物，二沉池出水為上覆水，采用碳纖維刷作為陽極和陰極材料運(yùn)行該反應(yīng)器，考察不同條件下底物的降解情況及產(chǎn)電性能，為將微生物燃料電池實(shí)際應(yīng)用于污水處理廠資源化利用剩余污泥奠定了基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品和藥劑材料

本實(shí)驗(yàn)所用的污水和污泥樣品分別取自哈爾濱某城市污水處理廠二次沉淀池的出水和剩余污泥，所取污水和污泥均于4 ℃下保存.污泥性質(zhì)如下：含水率99.0%，TSS為8.6～9.4 g/L，VSS為4.4～5.1 g/L， pH值為6.9～7.1，TCOD為9 000～13 000 mg/L.污水性質(zhì)如下：COD為46 mg/L，SS為11 mg/L，氨氮為3.2 mg/L，TN為14.5 mg/L，TP為0.65 mg/L，pH為7.0.投加的緩沖溶液為10 mmol/L磷酸鈉溶液.投加的非晶體氫氧化鐵為分析純.所有實(shí)驗(yàn)和檢測都在室溫(25 ℃左右)和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1.013×105Pa)下進(jìn)行的.

1.2 微生物燃料電池

本實(shí)驗(yàn)所采用的微生物燃料電池反應(yīng)器為有機(jī)玻璃制成的單室無膜圓柱形MFC反應(yīng)器.反應(yīng)器規(guī)格為內(nèi)直徑20 cm×高30 cm.陽極和陰極材料均采用由鈦金屬絲和碳纖維制成的碳刷，陽極和陰極之間采用導(dǎo)線連接，電路中設(shè)有變阻箱(0～9 999 Ω)，外電路電阻采用1 000 Ω.兩個(gè)反應(yīng)器的底部注入取自二沉池的剩余污泥，陽極碳刷放置于污泥中使得陽極和底泥有充分接觸的面積，陽極總高為5 cm，陽極的有效容積為1 570 mL；污泥上方注入取自二沉池的出水，陰極碳刷懸浮在上覆水中，一部分暴露在空氣中以獲得氧氣促進(jìn)陰極反應(yīng)的發(fā)生，陰極總高為25 cm，陰極有效容積為4 710 mL.見圖1.

圖1 SMFC反應(yīng)裝置

1.3 分析方法

實(shí)驗(yàn)過程所產(chǎn)生的電壓由電壓采集器(12-bit A/D-conversion chips, US)直接記錄，電壓采集器直接連接到電腦上，每60 s自動記錄一次，電路中串聯(lián)接入電流表(0～10 mA).所獲得電壓根據(jù)公式P=U.I/Va轉(zhuǎn)化成功率密度P(W/m3)，I=U/R.其中，U是電壓，V；I是電流，A；R是電阻，Ω；Va為陽極有效容積，m3.參比電極(Ag/AgCl, +195 mV對標(biāo)準(zhǔn)氫電極，SHE)放在反應(yīng)器陽極的中間位置，不與碳刷接觸，在測量極化曲線時(shí)，使用Ag/AgCl標(biāo)準(zhǔn)電極作為參比電極.TSS、VSS、TCOD采用標(biāo)準(zhǔn)方法(APHA, 1998)進(jìn)行測定.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同條件下的電壓和功率輸出

陰極氧氣的傳質(zhì)速率是影響陰極反應(yīng)及SMFC產(chǎn)電性能的一個(gè)主要因素[10]，采用表面曝氣來強(qiáng)化SMFC的產(chǎn)電性能.另外，陰極較低的電導(dǎo)率也是影響SMFC產(chǎn)電性能的因素[11-12]，本研究通過投加緩沖溶液提高陰極的含鹽量來改善SMFC的運(yùn)行效果.本實(shí)驗(yàn)中的微生物燃料電池經(jīng)過短時(shí)間的不穩(wěn)定運(yùn)行后成功啟動，考察了不同條件下輸出電壓隨時(shí)間的變化，如圖2所示.運(yùn)行穩(wěn)定后，通過變化外電路電阻(10～9999 Ω)得到了不同條件下剩余污泥為底物時(shí)SMFC的功率密度與電流的關(guān)系曲線，如圖3所示.

圖2 不同條件下SMFC運(yùn)行中的電壓輸

圖3 不同條件下SMFC運(yùn)行中的功率密度隨電流變化電流

由圖2可知，該沉積型微生物燃料電池可以利用剩余污泥為底物進(jìn)行產(chǎn)電，且產(chǎn)生的電壓隨著運(yùn)行時(shí)間逐漸下降，輸出電壓下降主要是由于陽極電勢的上升造成的，陽極的極化效應(yīng)是SMFC輸出電壓下降的主要影響因素[9].采用陰極表面曝氣和添加緩沖溶液均可促進(jìn)SMFC的產(chǎn)電性能.相比于添加緩沖溶液，表面曝氣能產(chǎn)生更高的閉路電壓，但在運(yùn)行的最初階段，投加緩沖溶液使電壓的下降更加緩慢.經(jīng)過一個(gè)周期(60 d)的運(yùn)行，其中無曝氣無添加緩沖溶液運(yùn)行的SMFC從最初的0.398 V電壓降到最終的0.111 V，降低了72.1%.

由圖3所示，在開路狀態(tài)下，電路中電流為0，功率密度也為0；隨著電流的增大，功率密度開始逐漸上升；當(dāng)電流達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，功率密度達(dá)到最大值；此后隨著電流的繼續(xù)增大，功率密度開始下降；這主要是由于電池內(nèi)部的極化作用所致.由圖3可知，當(dāng)電流在3～4 mA之間，SMFC獲得最大功率密度，最大功率密度可達(dá)9.45 W/m3(表面曝氣無緩沖溶液).表面曝氣相比于投加緩沖溶液可獲得更高的功率密度，較低的溶解氧濃度是限制陰極反應(yīng)的一個(gè)重要因素.

2.2 SMFC運(yùn)行對剩余污泥的降解

2.2.1SMFC運(yùn)行對剩余污泥TCOD的去除情況

以剩余污泥為基質(zhì)的微生物燃料電池，初始TCOD=110 224 mg/L.每間隔5 d，從反應(yīng)器底部取樣孔取剩余污泥樣品檢測TCOD值；作為對照，以同樣的時(shí)間間隔在另一開路反應(yīng)器中取樣測TCOD值.TCOD去除率如圖4所示.

圖4 SMFC運(yùn)行及開路狀態(tài)下剩余污泥TOCD的去除率

由圖4可知，閉路狀態(tài)下運(yùn)行60 d后，TCOD去除率為37.9%，而開路狀態(tài)下TCOD的去除率僅為26.6%，表明該SMFC的運(yùn)行促進(jìn)了剩余污泥的降解，剩余污泥在SMFC反應(yīng)器中的降解可以看成是厭氧消化和微生物燃料電池綜合作用的結(jié)果.

2.2.2SMFC運(yùn)行對剩余污泥TSS和VSS的去除情況

以剩余污泥為基質(zhì)的微生物燃料電池，初始TSS=8.8 g/L，VSS=5.0 g/L.每間隔5 d，從反應(yīng)器底部取樣孔取剩余污泥樣品檢測TSS和VSS值；作為對照，以同樣的時(shí)間間隔在另一開路反應(yīng)器中取樣測TSS和VSS值.TSS和VSS去除率如圖5所示.

圖5 SMFC運(yùn)行及開路狀態(tài)下剩余污泥TSS和VSS的去除率

由圖5可知，閉路狀態(tài)下運(yùn)行60 d后，TSS去除率為27.1%，VSS去除率為34.9%；而開路狀態(tài)下TSS的去除率僅為16.1%，VSS的去除率僅為19.2%.表明該SMFC的運(yùn)行促進(jìn)了剩余污泥TSS和VSS的降解.SMFC系統(tǒng)中，可利用剩余污泥中現(xiàn)有微生物作為接種污泥實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速啟動，提高污泥厭氧消化速率的同時(shí)產(chǎn)生電能.從圖5中還可以看出，VSS的去除率比TSS的去除率高，表明SMFC主要降解污泥中的有機(jī)物，采用SMFC來實(shí)現(xiàn)剩余污泥的減量化是可行的.

2.2.3投加氧化物對SMFC運(yùn)行效果的影響

氧化物作為一種可替代的電子受體可以提高SMFC沉積物中有機(jī)質(zhì)的云除[13]，以剩余污泥為基質(zhì)的微生物燃料電池，初始TCOD=110 224 mg/L，初始TSS=8.8 g/L，VSS=5.0 g/L.氧化物的投加量為5g非晶體氫氧化鐵.反應(yīng)一個(gè)周期60 d后從反應(yīng)器底部取樣孔取剩余污泥樣品檢測TCOD、TSS和VSS值，結(jié)果如表1所示.

表1 不同條件下剩余污泥TOCD、TSS和VSS的去除率

開路MFC氧化物MFC+氧化物TCOD去除率/%26．637．929．140．4TSS去除率/%16．127．116．530．2VSS去除率/%19．234．920．537．7

從表1中可以看出，底物中投加氧化物氫氧化鐵可以提高剩余污泥中TOC、TSS和VSS的去除率.對比單獨(dú)運(yùn)行SMFC和單獨(dú)投加氧化物兩種情況可知，氧化物作為電子受體對有機(jī)物的去除率低于SMFC的作用.從表中還可以看到，投加氧化物同時(shí)運(yùn)行SMFC可使有機(jī)物具有最高的去除率，可以將該反應(yīng)看成是氧化物和SMFC的協(xié)同作用，但其對有機(jī)物的去除率要小于SMFC單獨(dú)運(yùn)行和僅投加氧化物開路運(yùn)行對有機(jī)物去除率之和.

3 結(jié) 論

1)以剩余污泥為底物的微生物燃料電池運(yùn)行一個(gè)周期(60 d)，無表面曝氣，不投加緩沖溶液的條件下獲得最大功率密度可達(dá)9.45 W/m3，表面曝氣和投加緩沖溶液均可提高SMFC的產(chǎn)電性能，表面曝氣較投加緩沖溶液的效果更好.

2)SMFC在閉路狀態(tài)下運(yùn)行60 d后，TCOD、TSS、VSS去除率均顯著高于開路狀態(tài)，該反應(yīng)處理污泥的過程可以看成是污泥厭氧發(fā)酵和SMFC綜合作用的結(jié)果， 微生物燃料電池的運(yùn)行促進(jìn)了剩余污泥的降解.

3)底物中投加氧化物可以提高SMFC的運(yùn)行效果，提高底物中TCOD、TSS、VSS的去除率，但氧化物的作用小于SMFC運(yùn)行的作用.

4)微生物燃料電池利用剩余污泥進(jìn)行產(chǎn)電的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量，通過簡單的輔助條件還可提高SMFC的產(chǎn)電性能，為利用構(gòu)建的沉積型微生物燃料電池原位處理二沉池中的剩余污泥，回收電能提供了依據(jù).

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Treatment of surplus sludge and electricity generation with sediment microbial fuel cell

XU Xun1, WANG Ming-ze2, WU Ming-song2, ZHAO Qing-liang1

(1. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology,Harbin 150090, China; 2. School of Resources and Materials,Qinhmangdao Branch of Northeastern University, Qinhuangdao 066004, China)

In order to dissolve the problem of surplus sludge, sediment microbial fuel cell (SMFC) was used to dispose surplus sludge in this paper. The electricity generation and the reduction of surplus sludge were analyzed in different conditions. After one period operation (60 d), the maximum power density reached to 9.45 W/m3in the conditions of no aeration and no buffered solution addition. The performance of electricity generation can be improved by aeration and adding buffered solution. After one period closed circuit operation of SMFC, the TCOD, TSS and VSS removal efficiencies were significantly greater than the open circuit operation, and the removal efficiencies can be improved by adding oxide. SMFC can be used to reduce the amount of surplus sludge and produce the electricity simultaneously.

surplus sludge; sediment microbial fuel cell; power density; sludge reduction

2015-05-17.

徐 勛(1984-)，女，博士，研究方向：廢水及污泥處理.

X703

A

1672-0946(2015)06-0694-04