微生物燃料电池处理剩余污泥及其产电特性

徐 勋，王明泽，吴明松，赵庆良

(1. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨 150090；2. 东北大学秦皇岛分校 资源与材料学院，河北 秦皇岛 066004)

微生物燃料电池处理剩余污泥及其产电特性

徐 勋1，王明泽2，吴明松2，赵庆良1

(1. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨 150090；2. 东北大学秦皇岛分校 资源与材料学院，河北 秦皇岛 066004)

针对目前存在的剩余污泥处理问题，采用沉积型微生物燃料电池(SMFC)处理二沉池剩余污泥，考察了不同条件下其产电特性及污泥减量化情况.SMFC运行一个周期(60 d)，无表面曝气，不投加缓冲溶液的条件下获得最大功率密度可达9.45 W/m3；表面曝气和投加缓冲溶液均可提高SMFC的产电性能.闭路运行SMFC一个周期后，TCOD、TSS、VSS去除率均显著高于开路状态，且底物中投加氧化物可以提高有机物的去除率.微生物燃料电池可以用来实现剩余污泥的减量，并同时产生电能.

剩余污泥；沉积型微生物燃料电池；功率密度；污泥减量

随着城市污水排放量和处理率的逐年增加，污水处理所产生的大量剩余污泥已不容忽视[1].目前，大多数污水处理厂都将二沉池产生的剩余污泥经过加药脱水，脱水后的污泥随意堆置，或进行填埋、焚烧、堆肥等处理[2].大量的剩余污泥不仅占用土地，而且剩余污泥中的各种有机污染物和重金属等会对土壤和地下水造成二次污染[3].目前所采用的各种污泥处理技术也都存在费用高、占地大、二次污染等问题，因此剩余污泥的处理已经成为制约污水处理发展的瓶颈.剩余污泥中有机物含量高，约占污泥干重的60%以上[4]，并随着人们生活水平的提高有逐渐上升的趋势，剩余污泥的处理与资源化利用相结合已经势在必行.

微生物燃料电池通过微生物的厌氧呼吸过程氧化底物、还原电极并输出电能，底物包括各种类型的废水[5]、底泥沉积物[6]、污泥中的有机质等[7].Jiang等[7]使用微生物燃料电池处理污泥中的有机物，研究表明闭路运行对污泥中总COD的去除率比开路对照高出8%，微生物燃料电池对污泥中的各种有机物有更高效的降解率.郑峣等[8]研究了以剩余污泥为燃料的微生物燃料电池技术，考察了影响输出功率的因素，得到的最大功率密度为256.12 mW/m2.赵庆良等[9]构建以铁氰化钾为阴极电子受体的双室微生物燃料电池，以剩余污泥为燃料时，获得最大功率密度31.5 W/m3.研究表明，利用微生物燃料电池技术资源化利用剩余污泥是可行的，可以有效降解剩余污泥中的有机物，也能产生一定量的电能.但以往都研究大都集中在提高电池的产电性能上，且构建的电池过于复杂，与实际应用相差甚远.本研究以城市二级污水处理厂的二次沉淀池为模型构建单室沉积型微生物燃料电池，以二沉池剩余污泥为底物，二沉池出水为上覆水，采用碳纤维刷作为阳极和阴极材料运行该反应器，考察不同条件下底物的降解情况及产电性能，为将微生物燃料电池实际应用于污水处理厂资源化利用剩余污泥奠定了基础.

1 实验材料与方法

1.1 实验样品和药剂材料

本实验所用的污水和污泥样品分别取自哈尔滨某城市污水处理厂二次沉淀池的出水和剩余污泥，所取污水和污泥均于4 ℃下保存.污泥性质如下：含水率99.0%，TSS为8.6～9.4 g/L，VSS为4.4～5.1 g/L， pH值为6.9～7.1，TCOD为9 000～13 000 mg/L.污水性质如下：COD为46 mg/L，SS为11 mg/L，氨氮为3.2 mg/L，TN为14.5 mg/L，TP为0.65 mg/L，pH为7.0.投加的缓冲溶液为10 mmol/L磷酸钠溶液.投加的非晶体氢氧化铁为分析纯.所有实验和检测都在室温(25 ℃左右)和标准大气压(1.013×105Pa)下进行的.

1.2 微生物燃料电池

本实验所采用的微生物燃料电池反应器为有机玻璃制成的单室无膜圆柱形MFC反应器.反应器规格为内直径20 cm×高30 cm.阳极和阴极材料均采用由钛金属丝和碳纤维制成的碳刷，阳极和阴极之间采用导线连接，电路中设有变阻箱(0～9 999 Ω)，外电路电阻采用1 000 Ω.两个反应器的底部注入取自二沉池的剩余污泥，阳极碳刷放置于污泥中使得阳极和底泥有充分接触的面积，阳极总高为5 cm，阳极的有效容积为1 570 mL；污泥上方注入取自二沉池的出水，阴极碳刷悬浮在上覆水中，一部分暴露在空气中以获得氧气促进阴极反应的发生，阴极总高为25 cm，阴极有效容积为4 710 mL.见图1.

图1 SMFC反应装置

1.3 分析方法

实验过程所产生的电压由电压采集器(12-bit A/D-conversion chips, US)直接记录，电压采集器直接连接到电脑上，每60 s自动记录一次，电路中串联接入电流表(0～10 mA).所获得电压根据公式P=U.I/Va转化成功率密度P(W/m3)，I=U/R.其中，U是电压，V；I是电流，A；R是电阻，Ω；Va为阳极有效容积，m3.参比电极(Ag/AgCl, +195 mV对标准氢电极，SHE)放在反应器阳极的中间位置，不与碳刷接触，在测量极化曲线时，使用Ag/AgCl标准电极作为参比电极.TSS、VSS、TCOD采用标准方法(APHA, 1998)进行测定.

2 实验结果与分析

2.1 不同条件下的电压和功率输出

阴极氧气的传质速率是影响阴极反应及SMFC产电性能的一个主要因素[10]，采用表面曝气来强化SMFC的产电性能.另外，阴极较低的电导率也是影响SMFC产电性能的因素[11-12]，本研究通过投加缓冲溶液提高阴极的含盐量来改善SMFC的运行效果.本实验中的微生物燃料电池经过短时间的不稳定运行后成功启动，考察了不同条件下输出电压随时间的变化，如图2所示.运行稳定后，通过变化外电路电阻(10～9999 Ω)得到了不同条件下剩余污泥为底物时SMFC的功率密度与电流的关系曲线，如图3所示.

图2 不同条件下SMFC运行中的电压输

图3 不同条件下SMFC运行中的功率密度随电流变化电流

由图2可知，该沉积型微生物燃料电池可以利用剩余污泥为底物进行产电，且产生的电压随着运行时间逐渐下降，输出电压下降主要是由于阳极电势的上升造成的，阳极的极化效应是SMFC输出电压下降的主要影响因素[9].采用阴极表面曝气和添加缓冲溶液均可促进SMFC的产电性能.相比于添加缓冲溶液，表面曝气能产生更高的闭路电压，但在运行的最初阶段，投加缓冲溶液使电压的下降更加缓慢.经过一个周期(60 d)的运行，其中无曝气无添加缓冲溶液运行的SMFC从最初的0.398 V电压降到最终的0.111 V，降低了72.1%.

由图3所示，在开路状态下，电路中电流为0，功率密度也为0；随着电流的增大，功率密度开始逐渐上升；当电流达到一定的数值时，功率密度达到最大值；此后随着电流的继续增大，功率密度开始下降；这主要是由于电池内部的极化作用所致.由图3可知，当电流在3～4 mA之间，SMFC获得最大功率密度，最大功率密度可达9.45 W/m3(表面曝气无缓冲溶液).表面曝气相比于投加缓冲溶液可获得更高的功率密度，较低的溶解氧浓度是限制阴极反应的一个重要因素.

2.2 SMFC运行对剩余污泥的降解

2.2.1SMFC运行对剩余污泥TCOD的去除情况

以剩余污泥为基质的微生物燃料电池，初始TCOD=110 224 mg/L.每间隔5 d，从反应器底部取样孔取剩余污泥样品检测TCOD值；作为对照，以同样的时间间隔在另一开路反应器中取样测TCOD值.TCOD去除率如图4所示.

图4 SMFC运行及开路状态下剩余污泥TOCD的去除率

由图4可知，闭路状态下运行60 d后，TCOD去除率为37.9%，而开路状态下TCOD的去除率仅为26.6%，表明该SMFC的运行促进了剩余污泥的降解，剩余污泥在SMFC反应器中的降解可以看成是厌氧消化和微生物燃料电池综合作用的结果.

2.2.2SMFC运行对剩余污泥TSS和VSS的去除情况

以剩余污泥为基质的微生物燃料电池，初始TSS=8.8 g/L，VSS=5.0 g/L.每间隔5 d，从反应器底部取样孔取剩余污泥样品检测TSS和VSS值；作为对照，以同样的时间间隔在另一开路反应器中取样测TSS和VSS值.TSS和VSS去除率如图5所示.

图5 SMFC运行及开路状态下剩余污泥TSS和VSS的去除率

由图5可知，闭路状态下运行60 d后，TSS去除率为27.1%，VSS去除率为34.9%；而开路状态下TSS的去除率仅为16.1%，VSS的去除率仅为19.2%.表明该SMFC的运行促进了剩余污泥TSS和VSS的降解.SMFC系统中，可利用剩余污泥中现有微生物作为接种污泥实现系统的快速启动，提高污泥厌氧消化速率的同时产生电能.从图5中还可以看出，VSS的去除率比TSS的去除率高，表明SMFC主要降解污泥中的有机物，采用SMFC来实现剩余污泥的减量化是可行的.

2.2.3投加氧化物对SMFC运行效果的影响

氧化物作为一种可替代的电子受体可以提高SMFC沉积物中有机质的云除[13]，以剩余污泥为基质的微生物燃料电池，初始TCOD=110 224 mg/L，初始TSS=8.8 g/L，VSS=5.0 g/L.氧化物的投加量为5g非晶体氢氧化铁.反应一个周期60 d后从反应器底部取样孔取剩余污泥样品检测TCOD、TSS和VSS值，结果如表1所示.

表1 不同条件下剩余污泥TOCD、TSS和VSS的去除率

开路MFC氧化物MFC+氧化物TCOD去除率/%26．637．929．140．4TSS去除率/%16．127．116．530．2VSS去除率/%19．234．920．537．7

从表1中可以看出，底物中投加氧化物氢氧化铁可以提高剩余污泥中TOC、TSS和VSS的去除率.对比单独运行SMFC和单独投加氧化物两种情况可知，氧化物作为电子受体对有机物的去除率低于SMFC的作用.从表中还可以看到，投加氧化物同时运行SMFC可使有机物具有最高的去除率，可以将该反应看成是氧化物和SMFC的协同作用，但其对有机物的去除率要小于SMFC单独运行和仅投加氧化物开路运行对有机物去除率之和.

3 结 论

1)以剩余污泥为底物的微生物燃料电池运行一个周期(60 d)，无表面曝气，不投加缓冲溶液的条件下获得最大功率密度可达9.45 W/m3，表面曝气和投加缓冲溶液均可提高SMFC的产电性能，表面曝气较投加缓冲溶液的效果更好.

2)SMFC在闭路状态下运行60 d后，TCOD、TSS、VSS去除率均显著高于开路状态，该反应处理污泥的过程可以看成是污泥厌氧发酵和SMFC综合作用的结果， 微生物燃料电池的运行促进了剩余污泥的降解.

3)底物中投加氧化物可以提高SMFC的运行效果，提高底物中TCOD、TSS、VSS的去除率，但氧化物的作用小于SMFC运行的作用.

4)微生物燃料电池利用剩余污泥进行产电的同时可以实现污泥的减量，通过简单的辅助条件还可提高SMFC的产电性能，为利用构建的沉积型微生物燃料电池原位处理二沉池中的剩余污泥，回收电能提供了依据.

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Treatment of surplus sludge and electricity generation with sediment microbial fuel cell

XU Xun1, WANG Ming-ze2, WU Ming-song2, ZHAO Qing-liang1

(1. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology,Harbin 150090, China; 2. School of Resources and Materials,Qinhmangdao Branch of Northeastern University, Qinhuangdao 066004, China)

In order to dissolve the problem of surplus sludge, sediment microbial fuel cell (SMFC) was used to dispose surplus sludge in this paper. The electricity generation and the reduction of surplus sludge were analyzed in different conditions. After one period operation (60 d), the maximum power density reached to 9.45 W/m3in the conditions of no aeration and no buffered solution addition. The performance of electricity generation can be improved by aeration and adding buffered solution. After one period closed circuit operation of SMFC, the TCOD, TSS and VSS removal efficiencies were significantly greater than the open circuit operation, and the removal efficiencies can be improved by adding oxide. SMFC can be used to reduce the amount of surplus sludge and produce the electricity simultaneously.

surplus sludge; sediment microbial fuel cell; power density; sludge reduction

2015-05-17.

徐 勋(1984-)，女，博士，研究方向：废水及污泥处理.

X703

A

1672-0946(2015)06-0694-04