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上流式单室无膜微生物燃料电池处理偶氮染料废水
来源:济南乾来环保技术有限公司 发布时间:2021-03-30 14:36:10 浏览次数:
作者:孙彩玉1, 宋志伟2, 盛 涛1, 杨莉莎1, 李立欣1( 1. 黑龙江科技大学 环境与化工学院,哈尔滨 150022;2. 黑龙江科技大学 教务处,哈尔滨 150022)

摘 要: 为分析偶氮染料 AB1 废水的处理效果及产电性能,构建了单室无膜微生物燃料电池( MFC) 系统,考察不同 AB1 质量浓度下偶氮染料 AB1 废水的 COD 去除率及库伦效率。140 d 的运行数据表明: 由于 AB1 与阴极之间的电子接收存在竞争关系,MFC 系统的产能及功率密度会随AB1 质量浓度的升高而降低。当 AB1 质量浓度为 25 mg / L 时,MFC 系统对废水 COD 去除率可高达( 95. 5 ± 1. 5) % ,且库伦效率为 6. 6% 。MFC 系统对 AB1 具有较高的降解效率,在进水 AB1 质量浓度 25 和 50 mg /L 的条件下,系统出水 AB1 质量浓度均低于 1. 5 mg /L。AB1 中的 N N 基团和萘基基本被去除,而苯基几乎无法被去除。

关键词: 微生物燃料电池; 偶氮染料废水; 产电性能

偶氮染料废水是一种常见的难降解废水,废水中含有的重氮基团化学性质稳定,无法直接被微生物降解[1]。处理偶氮染料废水最常用的方法为活性污泥法和高级氧化[2]。微生物燃料电池( MFC)是一种新型的污水处理技术,因其在去除有机污染物的同时能够产生电能而备受人们关注[3]。到目前为止,有关 MFC 技术处理偶氮染料废水的研究却很少。关于 MFC 的研究基本均在双室 MFC 系统中完成[2 - 3],由于双室 MFC 中质子膜的存在会影响质子的传递效率及系统内阻的升高,从而会在一定程度上限制其运行性能。相比之下,单室无膜 MFC 系统由于简化的结构能够有效降低系统内阻,从而提高反应效率,另外还能降低基建和运行成本[4]。因此,笔者旨在构建上流式单室无膜 MFC 系统,以偶氮染料废水为基质,考察其运行过程中的产电性能及废水处理效果。

1材料与方法

1. 1 接种污泥

阳极室接种污泥取自哈尔滨市某污水处理厂污泥浓缩池,收集后的污泥用蒸馏水淘洗 3 遍,再用不锈钢进行筛分去除粒径 D≥2 mm 的颗粒。污泥接种至阳极室后,先用糖蜜废水驯化 60 d 再启动反应装置。接种时的污泥特性如下: 悬浮物( SS) 的质量浓度为 12. 6 g /L、挥发性悬浮物( VSS) 的质量浓度为 9. 7 g /L、pH 为 7. 3。

1. 2 实验废水

实验用废水采用人工合成的废水,废水的组分:酸性黑 1( AB1) 的质量浓度分别为 0、25、50 mg /L,乙酸钠的质量浓度为2. 45 g /L,氯化铵的质量浓度为0. 32 g /L,氯化钾的质量浓度为0. 11 g /L,磷酸二氢钾的质量浓度为 0. 55 g /L,氯化镁的质量浓度为0. 12 g / L和氯化钠的质量浓度为 0. 12 g / L。

1. 3 实验装置

上流式单室无膜 MFC 装置由圆柱形有机玻璃制成,直径 10. 0 cm,高 30. 0 cm,底部进水,顶部出水。阳阴两极均为宽 1. 5 cm、长 2. 5 cm 的碳毡,电极之间通过 0. 5 mm 的导线连接,中间设 1 个2 000 Ω可调节电阻,两端采用直流电源提供外加电压。污泥接种前,MFC 装置通入氮气5 min,以保证阳极室内部厌氧条件,装置启动后阴极室通入压缩空气维持系统好氧条件。MFC 装置进水由可调速蠕动泵以连续流的方式提供,装置由下往上设阳极室、S2、S1 和阴极室取样口。上流式单室无膜 MFC 装置如图 1 所示。

MFC 系统连续运行 140 d,水中 AB1 质量浓度分别设置为 0、25 和 50 mg/L,在运行的前 30 d,AB1 质量浓度为0,在第31 ~60 d,AB1 质量浓度为25 mg/L,在第 61 ~ 140 d,AB1 质量浓度为50 mg/L。运行期间,定期检测各项指标。

1. 4 分析方法

COD、SS、pH  采用国家标准方法[5]进行测定。电位通过 Ag/AgC l 参比电极进行检测。电位与电流数据通过多功能采集板自动记录,每 10 min 采集一次。酸性黑 1 基团采用 UV - Vis 吸附法进行分析。

1. 5 计算方法

电流密度、功率密度、库伦效率及去除率等指标参考文献[6]中的计算方法。

2 结果与讨论

2. 1 产电性能

在 MFC 装置阳极室,水中的有机物被微生物降解并释放出电子,产生的电子被微生物捕获并传递给阴极,在此过程会有一定的电压输出。图 2 为单室无膜 MFC 在整个运行过程中的输出电压 U 随时间 t 的变化情况。由图 2 可知,在水中添加 AB1 之前,MFC 系统稳定后输出电压在( 168. 5 ± 6. 2) mV 处变化。在水中添加 AB1 后,MFC 系统输出电压呈下降趋势。当 AB1 质量浓度为 25 mg /L 时,系统输出电压下降至( 159. 4 ± 4. 5 ) mV ,当 AB1 质量浓度进一步升高至 50 mg /L 时,输出电压不稳定,波动幅度较大,继续下降至( 142. 4 ± 3. 9) mV 。这是因为AB1 在降解过程中能够接收阳极产生的电子,与阴极存在竞争关系,从而导致输出电压下降,更高浓度的AB1 需要更多的电子来破坏 N N 基团,具有更强的电子接收能力[7]。对阳极进行清洗后( 图中A1、A2) ,MFC 输出电压会升高,这是因为随着实验的运行,阳极表面会形成生物膜,导致 MFC 内阻变大。

通过调节外加电阻 50 ~ 2 000 Ω 可得到 MFC 系统的极化曲线如图 3 所示。由图 3 可知,在添加 AB1之前,系统的最优功率密度为( 8. 1 ±0. 3) mW /m2。当 AB1 质量浓度为 25 mg /L 时,功率密度变化不大。而当 AB1 质量浓度为 50 mg /L 时,最优功率密度下降至( 6. 3 ± 0. 4) mW /m2,较未添加 AB1 时下降了 22. 2% 。通过极化曲线可以推断,在不同 AB1质量浓度下,MFC 系统的内阻均为 1 000 Ω 左右,电子传递速率基本相同。因此,添加 AB1 后,MFC 系统输出电压和功率密度的下降主要与阳极室的电子供应不足有关。

2. 2 COD 去除率和库伦效率

图 4 为单室无膜 MFC 在整个运行过程中的阳极和阴极 COD 的质量浓度及去除率随时间的变化情况。MFC 系统起始的进水 COD 质量浓度稳定在( 1800 ± 10) mg /L。从图 4 可以看出,当 AB1 质量浓度为 0 时,阳极 COD 去除率可达( 90. 4 ± 3. 2) % ,随着 AB1 质量浓度升高至 25 mg /L,COD 去除率小幅度下降至( 86. 2 ± 1. 8) % 。当 AB1 质量浓度为50 mg / L 时,COD 去 除 率 大 幅 度 下 降 至( 75. 0 ± 3. 3) % 。阴极 COD 去除率的变化趋势与阳极 一 致。阴 极 COD 去 除 率 由 0 mg /L 时 的( 72. 7 ± 1. 7) % 下 降 至 50 mg /L 时 的( 57. 8 ± 2. 2) % ,导 致 系 统 出 水 COD 质 量 浓 度( 193. 2 ± 5. 5) mg /L。由( 46. 6 ± 3. 1) mg /L 升高至。表明当 AB1 存在时,系统出水剩余的 COD 增多,这主要与 AB1 降解过程中稳定基团被破坏后形成的中间产物有关[8]。当 AB1 质量浓度为25 mg/L时,系统对废水 COD 去除率高达( 95. 5 ± 1. 5) % 。


通过系统的 COD 去除率和输出电压计算得到AB1 质量浓度分别为 0、25 和 50 mg / L 时,MFC 系统库伦效率分别为 6. 9% 、6. 6% 和 5. 9% 。系统库伦效率随 AB1 质量浓度的升高而下降,与文献[9]的研究结果类似,上述作者曾构建双室 MFC 系统处理偶氮染料废水,发现当进水中偶氮浓度逐渐升高时,系统库伦效率呈逐步下降趋势。

2. 3 AB1 降解效率

单室无膜 MFC 在整个运行过程中的 AB1 质量浓度和降解效率随时间的变化情况见图 5。由图 5可知,当 AB1 质量浓度由 25 mg /L 升高至 50 mg /L时,阳极 AB1 降解效率由( 80. 6 ± 1. 2) % 下降至( 74. 6 ± 2. 7 ) % ,但 阴 极 对 AB1 的 降 解 效 率 由( 86. 7 ± 1. 9) % 升高至( 96. 2 ± 3. 3) % ,此时,系统出水中的 AB1 质量浓度均低于 1. 5 mg /L。这表明在 MFC 系统对偶氮 AB1 具有较强的降解效率,本去除率可与文献[10]的研究结果相比较。在 AB1质量浓度 50 mg /L 下,阴极呈现出的更高的降解效率与高浓度的 AB1 具有更高的电子接收效率有关。从图 6 中可以看出,UV - Vis 光谱共显示 3 个波峰长,分别为 484( N N 基团) 、309( 萘基)和 234( 苯基) 。沿 MFC 装置高度方向, N N基团的含量逐渐减少,大部分 N N 基团会在厌氧段( 阳极) 被破坏,且好氧段也有一定的降解能力。萘基含量变化与 N N 基团变化趋势一致,但苯基的含量基本无变化,这表明在 MFC 系统中,苯基几乎不能被去除,仅在好氧段对苯基有较少的去除率。在运行过程中,MFC 系统对色度的去除率均在 90% 以上( 数据未在图中显示) 。


3 结 论

( 1) 上流式单室无膜 MFC 系统处理偶氮染料( AB1) 废水具有一定的可行性,系统产能及功率密度会随 AB1 质量浓度的升高而降低。( 2) 当 AB1 质量浓度为 25 mg /L 时,MFC 系统对废水 COD 去除率高达( 95. 5 ± 1. 5) % ,此时库伦效率为 6. 6% 。( 3) MFC 系统对 AB1 具有较高的降解效率,在进水 AB1 质量浓度为 25 和 50 mg /L 的条件下,系统出水 AB1 质量浓度均低于 1. 5 mg /L。