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微生物燃料電池處理高鹽廢水的研究進展

發布日期:2019-08-01 10:05:02   瀏覽次數:789
隨著國民經濟的不斷發展,淡水資源的消耗量逐年迅速上漲,水資源日漸匱乏,同時水體污染日趨嚴重。這嚴重危害著人類的健康,同時

隨著國民經濟的不斷發展,淡水資源的消耗量逐年迅速上漲,水資源日漸匱乏,同時水體污染日趨嚴重。這嚴重危害著人類的健康,同時也威脅著人類的長期生存和發展。開發高效低成本廢水處理技術具有重要意義。


在各種廢水中,高鹽廢水具有分布廣、含無機鹽離子濃度高、處理成本高等特點[1-2],是一種難處理廢水[3]。若將未經處理的高鹽廢水直接排放,高度無機離子將導致江河水質礦化度提高[4],而廢水中的氮、磷、有機物等會造成水體富營養化[5],同時高鹽廢水也造成土壤污染,甚至危及生態環境[6]。目前高鹽廢水通常采用電解法、膜分離法、生化法等技術進行處理,但這些技術均存在處理成本高、處理后水質不穩定的問題。開發高效低成本的高鹽廢水處理新技術是未來的發展方向[7]。


微生物燃料電池(microbial fuel cell, MFC)是一種集廢水資源化、污泥減量化、水質無害化的新型廢水處理技術,具有廣闊的應用前景[8-9]。使用微生物燃料電池,可以實現廢水的高效低成本處理[10-11],有望突破高鹽廢水處理成本高、難度大的困境,因而受到了廣泛關注[12-13]。


本文的目的是總結微生物燃料電池在高鹽廢水處理方面的研究進展,著重分析鹽度對微生物、產電、污染物脫除的影響,在此基礎上,提出未來微生物燃料電池處理高鹽廢水的研究方向,以期促進該領域的快速發展。


1 高鹽廢水的產生與處理


高鹽廢水指生產生活過程中產生的總含鹽質量分數大于1%的廢水[14]。高鹽廢水中不僅含有較高濃度的Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等無機離子,而且含有氮、磷、中低碳鏈有機物等。


高鹽廢水主要來源于兩方面:一是工業生產過程中排放出的高含鹽的有機廢水[15],如紡織、印染、食品腌制、造紙、化工、農藥等行業[16];二是海水直接應用所產生的廢水[17],如海水用于電力、鋼鐵、化工、機械制造等行業的冷卻所產生的廢水,和沿海城市將海水用于道路和廁所沖洗、消防以及游泳娛樂等方面所產生的廢水[18]。在世界范圍內,高鹽廢水排放量約占廢水總排放量的5%,年增長率約為2%[19]。高鹽廢水處理已成為廢水處理的重要組成部分[20]。


目前對于含鹽廢水的處理主要有電解[13,21]、焚燒[22-23]、膜分離[24-25]、深井灌注[26-27]、生物處理[28-30]以及物理化學處理[31-32]等方式。其中,電解法對污水的適應性較強,去除效果好[33],但運行費用高[34];焚燒法具有簡便、徹底的優勢,但僅適宜處理有機物濃度高、熱值高的高鹽廢水,而對低熱值的高鹽廢水,存在焚燒前需要調整pH、添加燃料[35],且燃燒后需要進行尾氣處理等問題[36];膜分離處理工藝簡單、不會造成二次污染[37],但運行費用較高,且膜容易堵塞[38];深井灌注處理操作簡便,但會導致土壤和地下水受到污染[2]。生物處理法具有應用范圍廣、適應性強、經濟性好、處理效率高等特點[39],是含鹽廢水處理最常用的方法[40],但生物法大多適用于處理鹽度低于3.5%的廢水[41]。物理化學方法可以處理更高鹽度的廢水,但不能有效去除廢水中所含有的溶解性有機物[2,42],因此物理化學方法通常作為生物處理法的前處理,用以規避鹽度限制。


廢水處理是高耗能行業[43],據統計,2011 年我國污水處理廠單位水量電耗、單位COD 削減電耗、單位耗氧污染物削減電耗平均值分別為0.293kW·h·m?3、1.594 kW·h·kg?1、1.991 kW·h·kg?1;對于包含高鹽廢水在內的難處理廢水,其單位水量電耗、單位COD 削減電耗、單位耗氧污染物削減電耗平均值更是分別高達0.471 kW·h·m?3、2.603kW·h·kg?1、3.249 kW·h·kg?1 [44]。通常,我國每年在廢水處理行業消耗的電量約占發電總量的1%[45]。


2 微生物燃料電池處理高鹽廢水的研究現狀


微生物燃料電池是一種利用微生物作為催化劑,氧化/還原污水中的有機和無機污染物,實現廢水處理從耗能向產能的轉化的裝置[46-47]。在微生物燃料電池中,陽極微生物催化氧化有機污染物和含低價態氮、硫元素的污染物,同時產生H+和電子,H+和電子分別經過溶液和外電路傳遞到陰極,在陰極處電子受體與電子、H+結合,發生還原反應,完成整個氧化還原反應[48-49],同時電子不斷流過外電路而產生電能[50-51]。若溶液中含有較高濃度的金屬離子,還可能在陰極發生金屬離子還原,達到回收金屬的目的[52-53]。


當微生物燃料電池處理高鹽廢水時,高濃度的陰陽離子使離子遷移速度加快,因而廢水具有良好的導電性,可以顯著降低MFC 內阻,有利于MFC產電。但高鹽環境也會影響微生物的代謝和生長,從而影響MFC 中微生物的種群和群落結構,可能對MFC 的產電和污染物脫除效果產生不利影響。因此,鹽度是影響微生物燃料電池處理高鹽廢水時產電和污染物脫除性能的主要因素之一。


微生物燃料電池處理高鹽廢水具有無能量投入、成本低、適應性廣、過程高效、產物清潔,且能回收廢水處理中電能的特點[54-56],對解決高鹽廢水處理中存在的處理成本高、效率低、出水水質不穩定、存在二次污染等問題[57-59]具有巨大的潛力。應用微生物燃料電池處理高鹽廢水,可以回收廢水中的能量,同時達到脫氮[60-61]和降解有機物[62-63]、脫硫[64-65]、除磷[66-67]、回收金屬[68-70]等效能。


2.1 MFC 處理高鹽廢水時的產電性能


2.1.1 鹽度對MFC 處理高鹽廢水時產電性能的影響


提高鹽度將對MFC 的產電性能產生兩方面的影響:一方面,廢水鹽度增加會提高溶液電導率和質子傳遞能力,降低電池內阻,有利于反應器產電性能的提高;另一方面,高鹽度會對產電微生物的新陳代謝及酶活性產生抑制作用,不利于電池的產電。


研究人員對鹽度影響MFC 產電性能的研究得出了不同的結果。羅勇等[12]采用序批式雙室化學陰極MFC 研究了陽極液中NaCl 濃度從0 提高到70g·L?1 對MFC 性能的影響,發現隨著陽極液NaCl濃度逐步提高,MFC 的最大輸出電壓逐漸從660mV 下降到130 mV,最大輸出功率密度從34 W·m?3下降到1.4 W·m?3,庫侖效率也從67%急劇下降到4%,表明提高陽極溶液鹽度降低MFC 產電性能;與此同時,劉明等[71]研究了連續流雙室生物陰極MFC,發現當陰極溶液的NaCl 濃度從0 提高到24.5g·L?1 時,MFC 的最大輸出功率密度從2.5 W·m?3下降到0.515 W·m?3,表明提高鹽度對生物陰極也產生不利影響。此外,Wang 等[72]研究序批式空氣陰極單室MFC 中鹽度及催化劑對產電性能的影響時發現,當以CoTMPP 和AC 作催化劑時,MFC 的產電性能均隨鹽度的升高而下降。然而Liu 等[73]以序批式單室MFC 為反應器研究鹽度對產電性能的影響時得出相反的結果,他們發現:隨著溶液中NaCl 濃度從5.84 g·L?1 提高到23.36 g·L?1,MFC 最大輸出功率從18 W·m?3 上升到33.25 W·m?3,表明鹽度提高有助于MFC 產電。也有研究表明在雙室MFC 中增加陽極溶液的鹽度能提高MFC 的產電功率。如Miyahara 等[74]發現隨著陽極液NaCl 濃度從0 提高到5.84 g·L?1,MFC 最大輸出功率提高了近4倍,從2.58 W·m?3 上升到11.42 W·m?3。在一種連續流雙室MFC 中,當陽極溶液的NaCl 濃度從0 提高到20 g·L?1 時,MFC 的最大輸出功率從27 W·m?3上升到35 W·m?3 [75]。這些研究表明鹽度對MFC 產電性能的影響可能與反應器結構、微生物種類、運行條件等因素有關。


圖1 總結了現有文獻報道中,不同鹽度下微生物燃料電池的最大功率密度[12,71-78]。雖然不同研究者得出的鹽度對MFC 產電性能的影響的結論不同,但從圖中可以看出,鹽度對MFC 產電性能的影響大致呈現一趨勢:在NaCl 濃度低于20 g·L?1 時,隨著鹽度的提高,反應器的最大功率密度提高;而當NaCl 濃度高于20 g·L?1 時,隨著鹽度的提高,反應器的最大功率密度下降。研究表明:0 ~ 20g·L?1NaCl 濃度是種類繁多的非嗜鹽菌和弱嗜鹽菌適宜生長的鹽度范圍[79],在此鹽度范圍內,產電菌可能很容易適應鹽度的變化,其活性不受鹽度變化的影響,而增加鹽度提高了溶液電導率,因而降低反應器內阻,提高MFC 產電性能;但當NaCl 濃度高于20 g·L?1 時,非嗜鹽菌和弱嗜鹽菌生長受到抑制,提高鹽度對微生物活性產生嚴重抑制作用,微生物活性降低導致反應器產電性能下降,且產電性能下降的效果比降低內阻導致反應器產電性能提升的效果更加顯著。因此,反應器的產電性能隨鹽度的增加而顯著降低。


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2.1.2 反應器結構對MFC 處理高鹽廢水時產電性能的影響


反應器結構對MFC 處理高鹽廢水時產電性能的影響還未見研究報道,但從現有的研究結果來看,反應器結構對MFC 處理高鹽廢水時產電性能的影響與對MFC 處理低鹽度廢水時的影響大致相同,單室MFC 的產電功率高于雙室MFC[12,73],雙室生物陰極MFC 的最大輸出功率密度顯著低于雙室化學陰極MFC[12,71]。然而處理高鹽廢水時,MFC 以序批式運行時其最大功率密度比連續流運行時高[71-72],這與其他應用場合有所不同。


2.2 鹽度對MFC 污染物脫除效果的影響


目前,將微生物燃料電池應用于高鹽廢水處理時,污染物的利用與脫除對象主要為有機物和含氮物質,而在含磷物質、含硫物質的脫除以及金屬回收等方面的研究還很少。


2.2.1 鹽度對有機物脫除效果的影響


微生物燃料電池處理廢水時,鹽度對有機物脫除效果的影響是鹽度對微生物代謝速度及酶活性的影響造成的。研究表明,適當的鹽度有利于提高微生物代謝速度及酶活性,進而提升有機物的去除效果,但過高鹽度會抑制微生物代謝速度及酶活性,從而阻礙有機物的去除[80]。


為了研究鹽度對有機物脫除效果的影響,劉明等[71]研究了鹽度對連續流雙室生物陰極MFC 脫氮除碳性能的影響,發現在控制反應器COD 濃度相同的條件下,當NaCl 濃度分別為0、3.5、10.5、17.5g·L?1 時,COD 去除率分別為99%、98%、95%、94%,而當NaCl 濃度為24.5 g·L?1 時,COD 去除率僅為80%,表明有機物脫除效果隨鹽度增加而逐漸下降。而Lefebvre 等[75]研究了連續流雙室空氣陰極MFC中陽極液的NaCl 濃度對有機物脫除效果的影響,卻發現當反應器陽極液中不添加NaCl 時,COD 去除率為27%±5%,分別添加5、10、20 g·L?1 NaCl時,COD 去除率分別提升到31%±1%、37%±3%、42%±1%,但當NaCl 濃度提高到40 g·L?1 時,COD去除率下降至26%±2%,表明隨著鹽度的提高,MFC 對有機物的脫除效果先提升后下降。這些研究結果說明陰極類型會影響鹽度變化時MFC 對有機物的脫除效果,今后還需要對不同鹽度下,不同類型的陰極對有機物的脫除效果及其規律進行更詳細的探究。

 
標簽: 環保新聞
 

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