连续流微生物燃料电池_MFC_反应器启动及生物颗粒的形成

第24卷第4期高校化学工程学报No.4Vol.242010年8月JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversitiesAug.2010文章编号：1003-9015(2010)04-0694-06连续流微生物燃料电池(MFC)反应器启动及生物颗粒的形成黄健盛1,杨平1,郭勇2,李小芳1,罗敏3(1.四川大学建筑与环境学院,四川成都610065;2.四川大学化学工程学院,四川成都610065;3.重庆江河工程咨询中心有限公司,重庆400013)摘要：为了回收废水中有机物蕴含的化学能并改善MFC对COD的去除效果，设计了一种新型厌氧流化床微生物燃料电池(AFB-MFC)用于同步高效废水处理及产电，对AFB-MFC反应器启动及生物颗粒形成进行了研究，并考察启动期内微生物燃料电池产电和废水处理性能以及外电阻对产电性能的影响。结果表明，在确定实验条件下，36d可快速成功启动AFB-MFC反应器并形成生物颗粒；启动期内，间歇运行时AFB-MFC产生的电压优于连续运行，间歇运行时最高电压850mV，而连续运行时下降至680~690mV，并最终稳定；COD去除率随进水负荷增加而增加，AFB-MFC反应器启动成功连续稳定运行后COD去除率可稳定在80.00%~90.41%；在外电阻为100Ω时，AFB-MFC产电性能最好，功率密度可达21.89mW⋅m−2。关键词：连续流；微生物燃料电池；电压；启动；生物颗粒；COD去除率中图分类号：X703.1；TM911.45文献标识码：AStart-upofaContinuousFlowMFCandBio-ParticlesFormationHUANGJian-sheng1,YANGPing1,GUOYong2,LIXiao-fang1,LUOMin3(1.SchoolofArchitectureandEnvironmental,SichuanUniversity,Chengdu610065,China;2.SchoolofChemicalEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China;3.ChongqingRiverEngineeringConsultationCenterCO.LTD,Chongqing400013,China)Abstract:ToaimatthechemicalenergyrecoveryfromorganicscontainedinwastewaterandtheimprovementoftheCODremovalefficiencyofmicrobialfuelcell(MFC),anewtypeMFC,i.e.anaerobicfluidizedbedmicrobialfuelcell(AFB-MFC),wasdesignedandtobeusedforthewastewatertreatmenttoproduceelectricity.Thestart-upoftheAFB-MFCsystemandtheformationofbio-particlesinanodechamberoftheMFCwerestudied.TheelectricityproductionperformanceandthewastewatertreatmentoftheAFB-MFCsystemwereexaminedduringthestart-upperiod.Moreover,theeffectofexternalresistanceonelectricityproductionwasstudiedtoo.Theresultsshowthat,withcertainexperimentalconditions,theAFB-MFCreactorcansuccessfullystart-upin36daysandthemixedbio-particlesareformedtoo.Duringthewholestart-upperiod,thevoltagegeneratedbyAFB-MFCinfeed-batchmodeishigherthanthatincontinuousmode,andthehighestvoltagegeneratedbyAFB-MFCinfeed-batchmodeis850mV.WhentheAFB-MFCisoperatedincontinuousmode,thevoltagedecreasesto680∼690mV,andfinallybecomesstable.TheCODremovalefficiencyincreaseswiththeincreaseofinfluentvolumeloadingrate,andwhentheAFB-MFCissuccessfullystart-upandoperatedincontinuousmode,theCODremovalefficiencycanbe80.00%∼90.41%.Whenexternalresistanceis100Ω,theAFB-MFChasthebestelectricityproductionperformance,anditspowerdensitycanreachthehighestvalueof21.89mW⋅m−2.Keywords:continuous-flow;microbialfuelcell;voltage;start-up;bio-particles;CODremovalefficiency收稿日期：2009-10-12；修订日期：2010-02-24。基金项目：国家科技支撑计划项目(2008BADC4B04)。作者简介：黄健盛(1980-)，男，广西藤县人，四川大学博士生。通讯联系人：郭勇，E-mail：[e-mail]第24卷第4期黄健盛等：连续流微生物燃料电池(MFC)反应器启动及生物颗粒的形成6951前言随着常规能源日趋枯竭和环境污染不断加重，寻找新能源和新污染治理方法成了当务之急。应用于研究产能和废水处理的微生物燃料电池是一种把生物能转化为电能并同时降解去除有机物的装置。微生物燃料电池已被应用于同步产电与废水治理[1~6]、生物传感器[7~11]和生物修复[12]等领域。目前对微生物燃料电池的研究主要侧重于产电能力的研究，且所研究的MFC多为使用载铂等修饰电极材料作阴极电极间歇进料小型反应器[13,14]，即便是连续流微生物燃料电池其废水处理效率也较低[15,16]，且受制于电极材料价格及反应器不利于放大而无法应用到实际废水处理工程中。此外，使用铁氰化物[17]及高锰酸盐[18]作阴极电子受体的MFC会带来二次污染问题。基于上述存在问题，本研究设计了一种使用无修饰材料作阴极电极及以自来水作阴极液、有效容积较大且易于放大应用、能连续高效废水处理的新型微生物燃料电池(AFB-MFC)，旨在实现微生物燃料电池产电的同时对废水进行连续高效处理。本文将对所设计的新型AFB-MFC的启动、颗粒污泥与以载体颗粒为基体的生物颗粒混生体系的形成条件进行研究。考察了启动过程对产电、废水处理的影响，启动成功时外电阻对产电的影响，并对系统所形成的颗粒污泥及以载体颗粒为基体的生物颗粒的生物相进行分析研究。2材料和方法2.1实验装置实验装置如图1所示，由两个极室组成，分别为阳极室和阴极室，两室之间由质子交换膜隔开，阳极室为带三相分离的高效厌氧流化床生物反应器，有效容积为7.27L，阴极为敞口容器，有效容积为1.92L；在阳极室和阴极室分别放置阳极和阴极，两电极之间用铜导线连接，并加载0~99999.9Ω的ZX21型多盘十进电阻器，利用UT70B型专业电子万用表对负载两端产生的电压进行测定，并利用计算机对测定的数据进行自动记录。阳极室进水采用BT00-600M型蠕动式计量泵，从阳极室底部进水，上部出水，并在阳极室的上部进行回流，回流采用BT00-300M型蠕动式计量泵；阴极室采用ACO-系列电磁式空压机进行曝气供氧。2.2实验材料阳极和阴极使用相同的材料，为TGP-H-090型Toray碳纤维纸，阳极和阴极的尺寸分别为4.0cm×38.6cm和3.5cm×38.5cm。使用的膜材料为杜邦Nafion117膜，其尺寸为6.0cm×40.0cm。实验使用载体为多孔聚合物填料，其物理参数为[19]：干粒径0.32mm，湿粒径0.56mm，骨架密度1320kg⋅m−3，湿堆积密度1010kg⋅m−3，孔容0.301mL⋅g−1，湿比表面积5357m2⋅m−3。其投加量为阳极室有效容积的16.5%。2.3实验废水实验采用合成废水，COD:N:P为350:5:1，废水主要成分为(mg⋅L−1)：葡萄糖，4000；NaHCO3，2500；KH2PO4，44；尿素，120。痕量及金属营养物(mg⋅L−1)[20]：Al2(SO4)3·18H2O，0.1；MgSO4·7H2O，3；FeSO4·7H2O，3.5；CaCl2·6H2O，0.3；H3BO3，0.05；(NH4)2MoO4，0.01；CoSO4·7H2O，0.3；ZnSO4·7H2O，0.1；CuCl2·2H2O，0.2；NiCl2·6H2O，0.01；MnSO4·H2O，0.5。2.4AFB-MFC接种培养及启动方式接种培养向有效容积为7.27L的AFB-MFC阳极室反应器加入成都市某污水处理厂消化污泥2L，图1微生物燃料电池工艺装置图Fig.1Diagramofmicrobialfuelcell1.peristalticpump2.peristalticpump3.carriers4.anode5.bio-gas6.externalresistance7.computer8.cathode9.air10.cathodechamber11.aerationequipment12.fans13.anodechamber14membraneEffluentBackflow696高校化学工程学报2010年8月06121824303642485405001000150020002500300035004000influentCODconcentrationeffluentCODconcentrationCODremoval020406080100CODremoval/%CODconcentration/mg⋅L−1Time/d图2启动期COD浓度及去除率随时间的变化Fig.2ChangesofCODconcentrationandCODremovalwithtimeinstart-upperiod0612182430364248540.00.40.81.21.62.02.4volumeloadingremoval020406080100Removal/%Volumeloading/kgCOD⋅d−1⋅m−3Time/d图3启动期进水容积负荷对COD去除影响Fig.3EffectofinfluentvolumeloadingonCODremovalinstart-upperiod.接种污泥的MLSS为50g⋅L−1。在回流量为29.15L⋅h−1(上升流速5.80m⋅h−1)下不进水运行1d，使污泥与载体颗粒完全混合均匀。通过NaHCO3调节进水pH值，使反应器内pH值在6.8~7.5之间，反应器内温度控制在(35±2)℃。在阴极室曝气量为16~24L⋅h−1、外电阻为2000Ω、逐渐减小回流量的条件下，以间歇→连续进水逐级提高反应器容积负荷的方式对阳极室反应器进行启动及菌种驯化、培养。启动方式具体的启动方式如表1所示。2.5分析方法及数据采集COD浓度测定采用重铬酸钾法[21]。电压采集：微生物燃料电池所产生的电压采用UT70B专业电子万用表进行测定，并利用计算机进行自动记录，记录时间间隔为30s。计算公式：UIR=(1)AnUIPA=