用微生物燃料电池评估人工湿地堵塞外文翻译资料

 2022-07-26 14:19:04

英语原文共 4 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

用微生物燃料电池评估人工湿地堵塞

Clara Corbella, Joan Garciacute;a, Jaume Puigagut

（环境工程和微生物学组（GEMMA），土木和环境工程系，西班牙加泰罗尼亚大学、巴塞罗那技术大学）

要点： bull; 微生物燃料电池作为评估人工湿地堵塞的工具。

bull; 微生物燃料电池装载有来自人工湿地的污泥。

bull; 污泥在系统中的停留时间是模拟0.2至5年的堵塞时间。

bull; 转移的电子作为污泥负载的函数潜在地减少。

bull; 微生物燃料电池具有作为堵塞评估工具的潜力。

摘 要：水平潜流人工湿地（Horizontal Subsurface Flow Constructed Wetland, HSSF CW）的堵塞可能导致人工湿地系统寿命或处理效率的降低。当前可用的评价垂直潜流人共湿地的堵塞程度的技术是耗时的，并且不能在连续的基础上应用。本研究的主要目的是评估微生物燃料电池在水平潜流人工湿地中的连续堵塞评估的潜在适用性。为此目的，构建了两个平行的无膜微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC），并在实验室条件下运行五周。MFC阳极是基于砾石的，以模拟水平潜流人工湿地的过滤介质。MFC每周装载已经在用于处理生活污水的试验性水平潜流人工湿地中累积了几年的污泥。污泥负荷变动范围从研究期开始时的约20 kg TS·m-3CW·年-1到研究期结束时的约250 kg TS·m-3 CW·年-1。施加的污泥负荷导致MFC内积聚的淤泥等同于0.2年（约0.5kg TS·m-3CW）至约5年（约10kg TS·m-3CW）的堵塞程度。结果表明，电荷与污泥积累量（堵塞程度）呈负相关。当MFC中累积的污泥量等于约5年的堵塞程度（约10kg TS·m-3CW）时，电子转移（表示为电荷）几乎停止。这一结果表明，虽然应在更长的研究期和更现实的条件下进行更深入的研究，但MFC具有用于水平潜流人工湿地堵塞评估的巨大潜力。

关键词：人工湿地；生物指示；堵塞评估；微生物燃料电池

  1. 引言

人工湿地技术是在20世纪70年代发明的一种新兴的废水处理技术（Kadlec et al。，2006）。由于其易于维护，低成本和节能，该技术已被广泛应用于生活污水处理（Verhoeven and Meuleman，1999，Ye et al。，2012和Sohair et al。，2013）。然而，就目前的工程实践而言，如果设计或管理不当，CW很容易堵塞。水平潜流人工湿地是由种植有大型植物的砾石床组成的天然污水处理系统（Garciacute;a等人，2010）。在水平潜流人工湿地中，污染物通过物理，化学和生物作用被去除。水平潜流人工湿地通常作为去除生活污水中含有的污染物（主要是有机物质）的二级处理单元（Vymazal，2002）。水平潜流人工湿地会发生过滤介质阻塞，即所谓的堵塞过程（Nivala等人，2012）。堵塞是由有机/无机颗粒的停留，沉淀，生物膜形成和根系生长而产生的一种复杂的现象（Knowles等人，2011; Pedescoll等人，2011a）。为了解决CWs的堵塞问题，第一种方法是研究底物中的堵塞机理。至于堵塞物的形成过程，广泛接受的是，首先，大量的生物膜积累在基质的表面上，其中细菌分泌的细胞外聚合物质（EPS）和大量积累在其中的难熔有机物（腐殖质，多糖）该基质来自高含水量和低密度的胶体污泥。众所周知，堵塞是水平潜流人工湿地的主要运行问题之一（Kadlec和Wallace，2009; Knowles等，2011; Nivala等，2012）。水力传导性的丧失，优先水流的产生，积水，处理效率和系统寿命的降低都是堵塞的造成的一些后果（Caselles-Osorio和Garciacute;a，2006; Knowles等人，2011; Nivala等人， 2012; Wallace和Knight，2006）。为了减轻/逆转堵塞，目前采取不同的策略（预防和/或恢复）（Nivala等人，2012）。截留在过滤介质中的总固体的量化是用于评估水平潜流人工湿地的堵塞程度广泛使用的方法之一。然而，该方法耗时、易由于样品操作导致的方法不准确且不能连续应用。停留在水平潜流人工湿地内的大量颗粒材料是有机性质的（Knowles等人，2011; Pedescoll等人，2011a）。因此，微生物燃料电池（MFC）可以是用于堵塞评估的合适的技术。MFC是生物电化学装置，其通过作为催化剂的外产电细菌降解有机物质产生电能（Logan，2008）。在水平潜流人工湿地中的MFC实施主要是通过利用在处理床的上部和底部之间存在的天然氧化还原梯度而实现（Corbellaet等人，2014，2015，2016）。此外，MFC也是用于生物指示的合适技术。相应的，MFC可以产生与存在于系统中的有机物质的量成比例的电流。到目前为止，由MFC产生的电流已经成功地与有机底物如人工废水和真正的生活污水相关联（Chang等人，2004; Di Lorenzo等人，2009; Gil等人，2003; Juang等人，2011; Liu et al，2000）。 本工作的主要目的是确定MFC是否可用于定量评估停留在砾石基质内的有机颗粒的总量，以便发明出一种具有不破坏性的、连续的堵塞评估工具。这是作者第一次尝试使用MFC作为堵塞评估工具。

  1. 2. 材料与方法

2.1 构建装置

为了该目的，建立两个实验室规模的无膜微生物燃料电池（MFC）并操作5周（图1）。每个MFC由两个室（阴极室和阳极室）组成。阳极室由直径为9cm、高度为30cm的填充有砾石（D60 = 7.3; Cu = 0.8;孔隙率= 40％）的PVC圆筒组成，并包裹在不锈钢网（船级316L，线间距5mm，线直径1mm）。MFC的阳极外倾被设计成模拟浅湿地砾石床的核心，其中来自电解质有机物质氧化的电子将被转移到电子收集器（不锈钢网）。为了确保充分的混合条件，通过蠕动泵（Damova MP-3035-6M; Toshiba VF-nC3）使阳极室内的水连续再循环。阴极室由放置在阳极室正上方的PVC圆筒组成，填充有5块60cm2的石墨毡（Alfa Aesar，1.12cm厚，99.9％;基于金属），每块用不锈钢丝连接（船级316L ）。将一层玻璃棉放置在阳极和阴极室之间，以避免任何氧气从阴极泄漏（Venkata Mohan等人，2008）。阳极和阴极通过外电阻为1000Omega;的铜线进行外部连接。MFC在MFC模式下操作，因此没有提供外部能量。最后，在外部电阻上测量产生的电压，并通过数据记录器（Campbell Scientific CR1000）每分钟存储一次。

图1：MFC的实验装置图。

2.2 污泥收集、实验设计及堵塞假设

每周向MFC供应污泥，并且在每次装载污泥负荷之后监测由MFC产生的电流六天。以间歇模式装载从已经处理了几年生活污水的水平潜流人工湿地中试装置的底部收集的污泥（Corbella等，2015）。水平潜流人工湿地中的固体积聚是堵塞的主要原因之一（Caselles-Osorio等，2007）。因此，水平潜流人工湿地污泥的引入被认为是相当模拟由水平潜流人工湿地的过滤介质内的固体积聚引起的堵塞过程。注意，虽然颗粒积累是促成湿地中的过滤介质阻塞的主要过程之一，但堵塞也是其它过程如沉淀，根生长或生物膜生长的结果。因此，在这项工作中，我们主要解决由颗粒积累引起的堵塞过程。实验一直进行到由MFC产生的电荷接近零（五周）。收集用于装载系统的污泥，在4℃下沉降浓缩1周。然后分析浓缩污泥（原始污泥，表1），最后用自来水稀释以达到所需浓度。每周增加系统的污泥浓度。因此，污泥负荷范围从研究起始期约20 kg TS·m-3人工湿地·年-1到研究结束时约250 kg TS·m-3人工湿地·年-1（表1）。对于堵塞时间的估计，我们假设一年的堵塞相当于2 kg TS / m3的积累量（Caselles-Osorio等，2007）。提供给每个MFC装置的污泥沿着阳极的长度方向尽可能均匀地分布。需要特别注意的是在该实验中没有使用废水（在将污泥供应给MFC之前，污泥与自来水混合）。因此，我们记录的MFC产生的电信号仅源自污泥的氧化。

表1：所用污泥的物理和化学参数和测试的实验条件的平均值和标准偏差（括号中）。

通过前几周累积的污泥（ACCi，kg TS / m3）加上在一周中的污泥负荷（TS（IN）w，kg TS/m3）计算在某一周（w）的累积污泥保留量（Cw， kg TS / m3）（方程（1））。在特定周（第i周）累积的污泥（ACCi）通过污泥供给量（TS(IN)i ，kg TS/m3）减去出水中的污泥量（TS(OUT)i，kg TS/m3）来计算（方程（2））。

2.3 物理化学分析

在每次批次试验之前和之后分析样品（表1）。实验期间分析的指标参数包括总固体（TS），挥发性固体（VS），总化学需氧量（CODtot）、可溶性化学需氧量（CODsol）和铵氮。根据APHA（2005）分析水质参数。

  1. 3. 结果和讨论

3.1 MFC用于堵塞评估

堵塞是水平潜流人工湿地的主要操作问题之一，并且传统上通过对砾石基质内积累的固体进行定量来评估（Caselles-Osorio等人，2007）。然而，这个过程耗时，不能连续应用，并且易由于样本操作导致的方法不准确性，结果不完全可靠（Pedescoll等人，2011a）。为了避免直接测量，提出了两种间接堵塞评估方法：（1）渗透系数测量（Pedescoll等，2011b，2012）和（2）示踪测试（Nivala等，2012）。然而，这些方法仍然需要详尽和耗时的采样/测量过程，并且不能在连续的基础上应用。在这项研究中，MFCs装载的污泥量逐渐增加。如预期的那样，停留在系统内的污泥对MFC功能具有直接影响（图2）。MFC产生的电流与人工废水和真实生活废水等有机物的浓度呈正相关（Chang等人，2004; Di Lorenzo 等人，2009; Gil等人，2003; Juang等人，2011; Liu等人，2000）。然而，我们的结果表明污泥停留量与传送到电路的电子和每个批次测试产生的电压均为负相关。因此，在MFC中积聚的污泥越多，电子的传递数量越少。这些结果与先前的研究一致，即较高的有机物质浓度与在单室MFC中产生的电流负相关（Sharma和Li，2010）。作者假设在较高颗粒积累下产生的电流减少，这是根据细菌活性随底物减少而降低而假设的。因此，过滤介质内可用的孔隙空间越小，外电子的基板可用性越低，转移的电子量越低。这个假说与水平潜流人工湿地中细菌活性的一般功能所描述的一致（Samsoacute;和Garciacute;a，2014）。

特定电荷和固体累积之间的相关性遵循电位方程，而不考虑接触时间（图2）。结果表明，在大约5年的等效堵塞时间之后，MFC几乎不能再产生电荷（图2）。这个结果表明，虽然在更现实的条件下更长的研究周期应进一步进行，MFC具有巨大的潜力，被用作间接的，连续的人工湿地堵塞评估工具。

需要重点指出的是，产电量（给定在MFC内累积的一定量的污泥）随着接触时间（特别是在0.2和1.4年的堵塞之间）增加（图3）。因此，对于给定量的污泥积聚所经过的时间越长，产生的电荷越高。在更长的时间之后产生更高的电荷与以下事实一致：水解细菌应当在放电电解质可以氧化简单的底物（例如挥发性脂肪酸）之前切割复杂的底物（例如这里使用的污泥）并转移电子到阳极（Cusick等人，2010; Kiely等人，2011）。总的来说，虽然电荷依赖于接触时间，但是电荷和保留的污泥量（或者说堵塞时间）之间的相关性水平具有类似的量值（总是显示R2＞0.9），而不考虑接触时间（图2）。因此，从我们的结果看，在这里考虑的那些没有具体的接触超时，导致在堵塞评估方面更好的MFC性能。

lt;

全文共10760字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[144939]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章