生物资源技术 了解微生物燃料电池在奶酪污水处理过程中的应用 外文翻译资料

 2022-09-06 15:31:00

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生物资源技术

了解微生物燃料电池在奶酪污水处理过程中的应用

重点

1、研究用不同含奶酪污水喂养微生物燃料电池

2、微生物燃料电池通过电力生产有效的降解有机物和悬浮固体

3、低浓度的废水为微生物燃料电池提供合适的底物

4、通过优化操作环境降低能耗

5、微生物燃料电池要适当的与其他处理方法相结合

简图

摘要

正确认识微生物燃料电池技术的作用和明白如何将微生物燃料电池有效的与现有的污水处理工艺相结合是这项技术未来发展的关键。在这项研究中，用四个相同的微生物燃料电池处理从奶酪废水处理过程不同阶段采取的样本，在整个处理过程中需要检查能量的平衡和处理的效果。在上面四个相同的微生物燃料电池中，其中两个阶段经微生物燃料电池处理过废水的总化学需氧量的去除率超过了80%，然而另外两个阶段的污泥和干酪乳清经微生物燃料电池处理后总化学需氧量的去除率只有大约60%。处理溶气气浮污水微生物燃料电池-2能产生最高27.2plusmn;3.6%的库伦效率，最高3.2plusmn;0.3w.m-3功率密度和最少消耗0.11kwh.m-3的能量，综合处理效果和节能性能两方面，微生物燃料电池可能会更适合处理低浓度废水。

  1. 介绍

乳制品行业是生产和处理用水量最大的污染行业之一，奶酪和其他乳制品需求量的增加使需要在排放前合理处理以达到严格的监管标准的废水量大大增加。乳制品废水通常采用好氧和厌氧的生物处理技术，其中包括活性污水、生物滤池、厌氧好氧塘、序批示反应器（SBR）、厌氧污泥的毛毯（UASB）、厌氧生物滤池、人工湿地、以及各种技术的组合。物理和化学处理方法也应用于膜技术或絮凝过程。虽然好氧过程处理的出水水质好，但消耗了大量的能量。相反，厌氧处理过程可以通过沼气提供能量，但它出水的后续处理由于有机物氧化不充分、营养物质去除不完全、易受冲击、油、油脂和温度等原因易受影响。因此，开发高效节能的乳制品废水处理方法具有很大的利益关系。

作为一种新兴的概念，微生物燃料电池发生多种底物的微生物氧化和产生生物电。与厌氧消化比，能产生电能是微生物燃料电池的核心优势。有氧工艺，如活性污泥法，大约需要消耗0.3KWhm-3或0.6KWhkgCOM-1.微生物燃料电池能大大减少能量消耗（＜0.1 KWhm-3）和产生少量的剩余污泥。在最近的研究中发现微生物燃料电池在理论上能实现能量的正平衡，说明电池产生的能量比他们处理城市污水消耗的能量多。此外，通过生物电化学反应去除氮，微生物燃料电池有助于防止进水的富营养化。

对微生物燃料电池技术处理乳制品的研究，最近发现了大量的现象。例如，通过产生1.1Wm-3的最大功率密度的能量，一个暴露的阴极单室燃料电池能降解大量的乳制品废水中的COD(95.5%)、蛋白质（78.1%）、碳水化合物（92.0%）和浊度（99%）。另一项研究表明，在厌氧环境下的阳极氧化而非有氧氧化，双室微生物燃料电池处理乳制品废水能产生更高的功率密度（3.2 Wm-3）和增加3.7倍库伦效率。在一个环形单室阳极采用微生物燃料电池会产生26.9%的库伦效率和20.2Wm-3的最大功率密度。使用干酪乳清（一种高强度的奶酪加工副产品）当底物的微生物燃料电池的研究有很大的用途。在电池处理稀释的干酪乳清前增加一个处理干酪乳清的的预处理会增加库伦效率和功率密度。进一步的研究表明，一个过氯消毒器的预处理步骤会增加近2倍的功率密度和确定了水力停留时间随基体强度的增加呈直线增加。

先前的研究大多集中在单一类型的基板，由于乳品废水的成分复杂和微生物燃料电池技术作为处理过程中的一个关键组成。如何将微生物燃料电池技术融入到乳制品废水处理工艺中将会是有趣的研究。这次研究的目的是找到微生物燃料电池技术在奶酪废水处理过程中能满足出水水质标准和能量消耗降低的最佳融入点。 这项工作报告案例研究分析了多实验室规模的微生物燃料电池反应器处理两种废水（气浮进水和气浮出水）和两种干酪废水处理过程中废物（污泥和干酪乳清）的处理效果。其中分析了能源生产、能源消耗、有机降解、营养物（N和P）去除以及库伦效率。众所周知，这是第一次研究微生物燃料电池在同时处理不同从工业废水处理过程中废物的能源性能。

2．方法

2.1 微生物燃料电池的构造

用不同阳极基底的四个完全相同的管状微生物燃料电池（1号微生物燃料电池、2号微生物燃料电池、3号微生物燃料电池、4号微生物燃料电池）通过阳离子交换薄膜组合起来。与以前的研究相类似，管状微生物燃料电池基于阳离子交换薄膜，是因为他们有光明的发展前景而且研究人员对该组成方式有丰富的经验。每个电池直径为5cm、长30cm，形成包含一个20cm碳纤维刷，体积大约为500ml的阳极。在使用之前，碳纤维刷会在丙酮中浸泡24小时，然后再450℃温度下热处理30min。阴极碳布包裹在阳离子交换薄膜管外。阴极采用活性炭粉和2%的聚四氟乙烯溶液混合为催化剂，在350℃下热处理30min后放置于阴极表面。阴阳两级通过一个外部两端电阻为66Omega;的钛丝连接，除非另有说明，两极通过极化曲线形成内阻。微生物燃料电池安装于一个垂直的pvc管中形成一个直径为9cm，体积约为800ml暴露于空气中的阴极室。

2.2微生物燃料电池的运行

微生物燃料电池在室温下运行，阳极从当地的污水处理厂接种20ml的消化污泥。在启动微生物燃料电池前（在添加奶酪废物之前），最初阳极浸泡于营养液中，其中含1g的醋酸钠、0.15g的NH4CL、0.015g的MgSO4、0.12g的CaCl2、0.1g的NaHCO3、0.53g的KH2PO4、1.07g的K2HPO4和1ml的微量元素。阳极液通过软管泵以150ml/min的转速下循环。当阴极液的pH增大于9时，在一个循环周期结束后更换阴极液。在电池启动后，用从奶酪废水处理过程中的不同的废水培养电池组：用溶解气浮进水培养1号微生物燃料电池，溶解气浮出水培养2号电池，污泥（稀释4倍）培养3号电池，干酪乳清（稀释10倍）培养4号电池。1号电池采用序批式处理模式运行，平均水力停留时间为6.4d，在一批次循环的进水中加入21mmoLL-1NaHCO3缓冲液以维持pH为中性。2号电池无论是采用序批式模式还是以0.3mLmin-1流速的连续模式运行，水力停留时间都为28h，在连续运行模式下始终保持0.27~0.74kgTCODm-3d-1的有机负荷率。3号电池在水力停留时间为12.9plusmn;1.4d的序批式模式下运行：在污泥中添加浓度为18.75~74.4 mmoLL-1NaHCO3溶液作为缓冲液，在培养污泥前，通过混合样本使污泥均匀。4号微生物燃料电池的水力停留时间为11.9plusmn;2.5d的序批式模式运行：与3号电池相同，在奶酪乳清样本中添加42.52~59.53 mmoLL-1NaHCO3溶液作为缓冲液。

2.3 测量和分析

用数字多媒体每5分钟记录一次微生物燃料电池的电压，用台式pH计测定电池的pH。总化学需氧量（TCOD）、可溶性化学需氧量（SCOD）、氨氮（NH3-N）、亚硝酸氮（NO2-N）、硝酸氮（NO3-N）、磷酸根（PO43-）的浓度可根据制造商的指示用色度计测量，根据标准方法测定挥发性悬浮固体（VSS），电池的功率密度和电流密度根据阳极液容量计算，库伦效率（CE）根据先前的结果计算。微生物燃料电池的能量消耗主要是由于阳极电解液的循环。根据泵的功率要求估算为：

其中： P —— 所需能量，kw；

Q —— 流动速率，m3S-1；

gamma; —— 9800Nm-3；

E —— 液压水头，m。

3 结果和讨论

3.1污染物的去除

由于基地和微生物燃料电池的操作方式的差异，四个微生物燃料电池分别呈现出了不同的污染物去除效果。一号和二号微生物燃料电池负责营养物质的去除。一号微生物燃料电池采用溶解气浮的工艺进水，在平均水力停留时间为6.4天的序批式处理模式下运行。它去除80.3plusmn;11.6%的TCOD和75.1plusmn;10.7%SCOD，TCOD的浓度从2201.6plusmn;508.8降低到405.2plusmn;182.1mg.L-1，SCOD的浓度从635.9plusmn;262.3降低到135.4plusmn;24.3mg.L-1.一号微生物燃料电池将悬浮固体的浓度从82.1plusmn;12.4%总悬浮固体降低到80.9plusmn;14.4%的可挥发性悬浮固体。二号微生物燃料电池流入溶解气浮工序的出水，在序批式或连续式处理模式下运行。溶解气浮进水中可溶性亚硝酸盐氮的浓度为0.7plusmn;0.8mg.L-1，在微生物燃料电池处理中浓度没有明显的改变。在序批式处理模式下（平均水力停留时间为34h），二号微生物燃料电池去除85.6plusmn;9.3%的TCOD和86.7plusmn;3.9%SCOD，最终各物质在阳极出水中的浓度分别为54.3plusmn;34.9mg.L-1和49.5plusmn;14.4mg.L-1。在序批式处理模式下悬浮固体的浓度没有进行测量。溶解气浮工艺的出水中含有微量的氨。在连续式处理模式下（平均水力停留时间为28h），二号微生物燃料电池去除80.4plusmn;11.6%的TCOD和79.0plusmn;11.5%SCOD，最终各物质在出水中的浓度分别为141.8plusmn;113.7mg.L-1和125.6plusmn;100.2mg.L-1。二号微生物燃料电池也降低了的75.5plusmn;13.6%的总悬浮固体的浓度和71.8plusmn;21.4%的挥发性悬浮固体的浓度。由于奶酪废水中有机物浓度的可变性，二号微生物燃料电池进行在连续式处理模式下不同的有机负荷率的实验，结果发现有机负荷率越高有机物的去除率越低。一号和二号微生物燃料电池的营养物质浓度如表2所示。3号微生物燃料电池处理从序批式处理模式下溶解气浮过程中的剩余污泥。在长达13天的水力停留时间下，3号微生物燃料电池将TCOD的浓度从16485.4plusmn;4458.2降低到7565.0plusmn;4172.8mg.L-1（表1），达到了54.9plusmn;21.9%的去除率（图2）。

如表一所示最后出水中总悬浮固体的浓度降低了71.8plusmn;10.1%，挥发性悬浮固体的浓度降低了69.9plusmn;9.0%。4号微生物燃料电池用来处理没有进入废水处理过程中的干酪乳清废物。在12d的水力停留时间下，4号微生物燃料电池降低了59.0plusmn;9.3%的TCOD的浓度（图2）和54.1plusmn;22.6%的SCOD的浓度。有机化合物TCOD的浓度从11346.8plusmn;424.8降低到4670.0plusmn;1138.8mgL-1，SCOD的浓度从7143.2plusmn;2191.6降低到3628.0plusmn;1064.5mgL-1（表1）。

由于基地特性的不同，四个微生物燃料电池在有效降低有机污染物浓度过程中有不同的作用。由于奶酪制造厂牛奶中的剩余固体，原溶解气浮进水中有较高的固体和有机物含量。一号微生物燃料电池能去除溶解气浮进水中相当大比例的TCOD、SCOD和SS；，然而按照美国威斯康星州国家污染物排放消除系统网站的自然资源污水排放限制（表S1 ），一号微生物燃料电池出水的有机物和悬浮固体的浓度均不能满足要求，因此需要一个后续的处理。此外，长时间的水力停留时间（6.4d）在实际应用中不可行。以此相比，溶解气浮工艺在短暂的大约一个小时的水力停留时间下能有效的去除95%的固体。2号微生物燃料电池处理气浮工艺的气浮出水，它能降低悬浮固体、大部分的可溶性和易于生物降解的化学需氧量。在与一号微生物燃料电池相比更短的水力停留时间（34h的序批式模式，28h的连续式模式），序批式处理模式下2号微生物燃料电池的出水水质更接近规定的排放要求。然而，连续式处理模式下的出水水质不能满足排放标准，出水需进行后续处理或者延长水力停留时间。在更长的12到13天的水力停留时间下，处理剩余污泥

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