超声预处理对剩余污泥微生物燃料电池性能的影响

第３４卷　第５期２０１５年　　５月环　境　化　学ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＣＨＥＭＩＳＴＲＹＶｏｌ．３４，Ｎｏ．５Ｍａｙ２０１５　２０１４年９月１２日收稿．　∗国家大学生创新实验计划资助．　∗∗通讯联系人，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：１０．７５２４／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４⁃６１０８．２０１５．０５．２０１４０９１２０１蒋杭城，许蕾，谢静，等．超声预处理对剩余污泥微生物燃料电池性能的影响［Ｊ］．环境化学，２０１５，３４（５）：９８９⁃９９４ＪＩＡＮＧＨａｎｇｃｈｅｎｇ，ＸＵＬｅｉ，ＸＩＥＪｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｒｅｔｒｅａｔｅｄｅｘｃｅｓｓｓｌｕｄｇｅｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｕｅｌｃｅｌｌｓ［Ｊ］．ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０１５，３４（５）：９８９⁃９９４超声预处理对剩余污泥微生物燃料电池性能的影响∗蒋杭城　许　蕾　谢　静　刘昱含　肖　遣　张光明∗∗（中国人民大学，环境学院，北京，１００８７２）摘　要　为了实现剩余污泥资源化，本实验采用了超声波破壁的预处理方式，构建了以剩余污泥破壁处理混合液为阳极液和以ＫＭｎＯ４溶液为阴极液的序批式双室微生物燃料电池（ＭｉｃｒｏｂｉａｌＦｕｅｌＣｅｌｌｓ，ＭＦＣ）．将ＭＦＣ的输出功率密度和ＣＯＤ去除速率作为电池性能的考察指标，研究了超声预处理和投加污泥量对ＭＦＣ性能的影响．结果表明，随着对投加污泥预处理比（超声预处理污泥量占投加污泥量的比例）和投加污泥浓度的上升，ＭＦＣ的输出功率密度和ＣＯＤ去除速率也随之上升，在１００％污泥预处理比下输出功率密度峰值为２９６ｍＷ·ｍ－２（Ｒｅｘｔ＝１０００Ω）；平均ＣＯＤ去除速率为９０ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１．在投加污泥浓度为８０００ｍｇ·Ｌ－１时，输出功率密度峰值为４７６ｍＷ·ｍ－２（Ｒｅｘｔ＝１０００Ω）；平均ＣＯＤ去除速率为１００ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１．由实验结果分析，采用超声波破壁预处理高浓度的剩余污泥作为燃料搭建ＭＦＣ，可提高微生物燃料电池的产电性能和ＣＯＤ去除速率．关键词　超声预处理，剩余污泥，微生物燃料电池，功率密度，有机物去除速率．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｒｅｔｒｅａｔｅｄｅｘｃｅｓｓｓｌｕｄｇｅｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｕｅｌｃｅｌｌｓＪＩＡＮＧＨａｎｇｃｈｅｎｇ　　ＸＵＬｅｉ　　ＸＩＥＪｉｎｇ　　ＬＩＵＹｕｈａｎ　　ＸＩＡＯＱｉａｎ　　ＺＨＡＮＧＧｕａｎｇｍｉｎｇ∗∗（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＮａｔｕｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＲｅｎｍｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１００８７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｅｘｃｅｓｓｓｌｕｄｇｅ，ａｄｏｕｂｌｅ⁃ｃｈａｍｂｅｒｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｕｅｌｃｅｌｌ（ＭＦＣ）ｗａｓｂｕｉｌｔ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｄｔｈｅａｎｏｄｅｃｈａｍｂｅｒｆｉｌｌｅｄｗｉｔｈｍｉｘｔｕｒｅｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ⁃ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄｅｘｃｅｓｓｓｌｕｄｇｅａｎｄｔｈｅｃａｔｈｏｄｅｃｈａｍｂｅｒｗｉｔｈＫＭｎＯ４．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｓｌｕｄｇｅｏｎｔｈｅＭＦＣｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ｕｓｉｎｇｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＣＯＤａｓｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｒｅｍｏｖａｌＣＯＤｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｉｎｇｒａｔｉｏ（ｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｓｌｕｄｇｅｐｒｅｔｒｅａｔｅｄｔｏｔｈｅｔｏｔａｌｓｌｕｄｇｅ）ａｎｄｔｈｅｓｌｕｄｇｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ａｔ１００％ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｒａｔｉｏ，ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙｐｅａｋｅｄａｔ２９６ｍＷ·ｍ－２（Ｒｅｘｔ＝１０００Ω），ａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｒｅｍｏｖａｌＣＯＤｒｅａｃｈｅｄ９０ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１．Ｗｉｔｈｔｈｅｓｌｕｄｇｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ８０００ｍｇ·Ｌ－１，ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙｒｅａｃｈｅｄａｐｅａｋｏｆ４７６ｍＷ·ｍ－２（Ｒｅｘｔ＝１０００Ω），ａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｒｅｍｏｖａｌＣＯＤｒｅａｃｈｅｄ１００ｍｇ·Ｌ－１·ｄ－１．ＯｕｒｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｅｘｃｅｓｓｓｌｕｄｇｅｐｒｅｔｒｅａｔｅｄｂｙｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｃｏｕｌｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｏｗｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄＣＯＤｒｅｍｏｖａｌｏｆｔｈｅＭＦＣ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｅｘｃｅｓｓｓｌｕｄｇｅ，ｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｕｅｌｃｅｌｌｓ，ｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙ，ＣＯＤｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．我国大多数城市生活污水采用活性污泥处理法，每年都会产生大量剩余污泥［１］．微生物燃料电池９９０　　环　　境　　化　　学３４卷（ＭｉｃｒｏｂｉａｌＦｕｅｌＣｅｌｌｓ，ＭＦＣ）是一种以自然界的微生物为催化剂，将化学能转化为电能的特殊燃料电池［２］，其特点是能量转化效率高、生物相容性好、原料来源广泛［３］，可以用多种天然有机物作为燃料，是一种真正意义上的可再生绿色电池．直接利用剩余污泥为燃料的微生物燃料电池技术，其输出功率密度较低．对电池结构的研究表明离子交换膜种类、电极材料、电极间距对电池性能存在影响［４］，同时电池反应器内部特性如ｐＨ、污泥浓度、离子浓度等也影响电池的输出功率［５⁃６］，进一步研究发现对投加污泥进行一定的预处理可改善微生物燃料电池的产电性能，间接利用剩余污泥为微生物燃料电池的燃料是获得较高输出电压的有效途径［７］．将污泥进行超声破壁预处理是污泥厌氧消化中常见的预处理方式，现将此预处理方法引入微生物燃料电池．可以通过控制污泥预处理比（超声预处理污泥量占投加污泥量的比例）和投加污泥的浓度间接调控电池的输出功率密度和ＣＯＤ去除速率．本文选取电池的输出功率密度和ＣＯＤ去除速率为考察指标，研究超声预处理和投加污泥浓度对电池性能的影响，验证超声预处理和投加污泥浓度可有效提高微生物燃料电池的产电性能和ＣＯＤ去除速率．１　材料与方法１．１　实验装置构建与启动实验采用的序批式反应器，双室反应器由阴极室和阳极室两部分构成（见图１）．利用磁力搅拌器对阳极室内的混合液进行连续搅拌，以保证营养物质和微生物体充分混合；阴极室由ＫＭｎＯ４充当电子受体［８］．单室呈圆柱型，有效容积为２００９ｍＬ（ϕ８０ｍｍ×４００ｍｍ），两电极均由石墨制成，有效面积为１００ｃｍ２．阴阳两室以质子交换膜（Ｎａｆｉｏｎ１１７，杜邦）连接，其连接处有效面积约为１３ｃｍ２．该燃料电池产生的电压信号由外接的数据采集系统（ＡＭＵＳＢ⁃９２０１）自动收集．剩余污泥取自北京市清河污水处理厂二沉池排泥．启动实验中先对ＭＦＣ阳极进行污泥接种，接种４００ｍＬ浓度６０００ｍｇ·Ｌ－１的污泥，将投加污泥进行污泥预处理比５０％的破壁预处理，将破壁后混合液投入阳极，阴极采用ＫＭｎＯ４充当电子受体．在外加电阻为１０００Ω的条件下，待ＭＦＣ的输出电压达到一定数值稳定后，开始后期实验．实验过程中每２ｈ采集１次电压，启动实验中输出电压随时间变化如图２所示．图１　反应器结构示意图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｒａｗｉｎｇｏｆｔｈｅｒｅａｃｔｏｒ图２　接种污泥后电压随时间变化Ｆｉｇ．２　Ｃｈａｎｇｅｏｆｖｏｌｔａｇｅｗｉｔｈｔｉｍｅａｔｎｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｆｔｅｒｉｎｏｃｕｌａｔｉｏｎ１．２　实验方法实验利用污泥上清液调节投加污泥浓度，破壁后再采用序批式进行阳极投加，一个反应周期为１７０ｈ．预处理采用１３０Ｗ的超声波能量对污泥进行破壁，破壁持续４ｓ，间隔４ｓ，共处理０．５ｈ．破壁处理后，将未处理和处理后的液体完全混合投入阳极室．污泥混合液ｐＨ值在６．５至７．５之间，ＶＳ／ＴＳ在０．８到０．９之间，平均粒径Ｄ５０在６４μｍ左右，溶解性化学需氧量（ＳＣＯＤ）在１００到１６０ｍｇ·Ｌ－１之间．ＭＦＣ电压采集通过多功能３２路电压信号采集卡（１２位Ａ／Ｄ芯片）完成，采样精度和频率分别为１０－３Ｖ和６０ｓ，一　５期蒋杭城等：超声预处理对剩余污泥微生物燃料电池性能的影响９９１　　共连续采集１７０ｈ电压，电压数据保留２位小数．对完全混合的阳极溶液进行取样，静置后取上清液测量ＣＯＤ，ＣＯＤ的测量按照国标法进行测量．２　结果与讨论２．１　不同污泥预处理比对ＭＦＣ性能的影响２．１．１　不同污泥预处理比对ＭＦＣ输出功率密度的影响电池成功启动后，首先研究不同投加污泥预处理比对ＭＦＣ输出功率密度的影响．控制每组实验投加污泥破壁前浓度在６１００ｍｇ·Ｌ－１到６２００ｍｇ·Ｌ－１之间，投加污泥混合液ｐＨ值在６．５到７．５之间，污泥停留时间（ＳＲＴ）均在２０ｄ到２２ｄ，污泥性质差异不大．每组接种污泥量都为４００ｍＬ浓度６０００ｍｇ·Ｌ－１的污泥，设置６组实验组，污泥预处理比分别为１００％、８０％、６０％、４０％、２０％、０％．外加电阻为１０００Ω时，６组实验的功率密度随时间变化情况如图３所示．图３　不同污泥预处理比的ＭＦＣ功率密度随时间变化Ｆｉｇ．３　ＣｈａｎｇｅｏｆＭＦＣｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙｏｆｗｉｔｈｔｉｍｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｅｔｒｅａｔｉｎｇｒａｔｉｏｓ污泥预处理比为０％、２０％时，功率密度低且波动较大．污泥预处理比为４０％与６０％的电池功率密度输出稳定程度优于前两组，峰值功率密度均稳定在１８０ｍＷ·ｍ－２（Ｒｅｘｔ＝１０００Ω）左右．８０％和１００％的污泥预处理比输出功率密度更高、更稳定．污泥预处理比为１００％的电池电压稳定在２８０ｍＷ·ｍ－２左右，１６０ｈ后亦能稳定运行．ＭＦＣ的输出功率密度随着对投加污泥预处理比的上升而增大，污泥预处理比为１００％时电池能获得实验组中的最高输出功率密度２９６ｍＷ·ｍ－２，最大输出电压为１．２１Ｖ，这个结果是赵庆良等报道的最高开路电压（１．４１Ｖ）的０．８５倍［９］．Ｏｈ和Ｌｏｇａｎ研究表明，微生物燃料电池系统的最大输出电压和功率密度受有机物的类型的影响［１０］．超声预处理通过超声能量破坏微生物细胞壁从而促进污泥中微生物中有机质溶出，使污泥的可生化性增强［１１］．微生物能够以有机物作为电子供体［１２］，以电极材料作为电子受体完成自身的能量代谢以维持其生长和繁殖［１３⁃１４］．ＬｏｖｅｌｙＤＲ［１５］研究表明，在微生物燃料电池中承担电子转移功能的主要是生长在阳极表面的细菌，和游离的微生物无关．因此，微生物燃料电池启动实际上是微生物在电极表面形成生物膜的过程．经过１００％的超声破壁预处理后，绝大部分微生物中的有机质被释放出来，少数的微生物附着在微生物电极表面形成生物膜，在竞争较弱的环境中利用破壁微生物释放的大量有机质进行电子转移，因此输出的功率密度和电压更加稳定．而污泥预处理比率较低的实验组则因为破壁混合液中有机质较少、形成生物膜时竞争较为激烈使得电压值和输出功率密度较低，波动较大．９９２　　环　　境　　化　　学３４卷２．１．２　不同污泥预处理比对ＣＯＤ去除速率的影响对污泥预处理比实验的６组电池运行０ｈ时到１７０ｈ时之间的混合液进行采样，每２４ｈ采样测量一次ＣＯＤ，计算得到单位时间的ＣＯＤ去除量，结果如图４所示．图４　不同污泥预处理比的单位时间ＣＯＤ去除量变化Ｆｉｇ．４　ＣｈａｎｇｅｏｆＣＯＤｒｅｍｏｖａｌｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｅｔｒｅａｔｉｎｇｒａｔｉｏｓＥｓｋｉｃｏｇｌｕＣ［１６］研究表明污泥絮体破碎后释放到液相中的有机物会进一步水解成更简单的有机物．有机物