淀粉废水处理技术

淀粉废水是淀粉生产过程中各种过程产生的废水的总和。具有产量大,有机质浓度高的显着特点。它是中国食品工业中污染最严重的废水之一。作为快速发展的水处理技术,微生物燃料电池(micRobialfuelcell,MFC)不仅可以去除废水中的有机污染物,还可以将存储在有机污染物中的化学能作为电能回收,实现废水的资源利用。由于淀粉废水中有机物含量高且能量巨大,如果将MFC技术应用于淀粉废水处理中,不仅可以净化水质,还可以利用废水中的丰富有机物提供营养。产生电力的微生物,以实现电能的回收并降低污水处理成本。


目前,在MFC的研究中,最常见的接种形式是在自然厌氧环境中直接使用混合细菌作为接种源。与纯细菌MFC的初步培养和富集相比,混合细菌电池的启动不仅节省了时间和成本,而且对环境的影响也很强。它可以使用多种底物,同时可以在细菌之间发挥协同作用,增强MFC操作的稳定性,提高系统的发电效率和污水处理的效果。

在这项研究中,自然环境中的混合细菌被用作接种细菌的来源。以实际淀粉废水,生活污水及两者的混合物作为接种菌溶液,以人工淀粉废水为基质,研究了MFC和废水的实际出水能力。处理效果,筛选出细菌来源有利于MFC的发电和废水处理,进一步优化了MFC的运行条件,为淀粉废水的高价值资源提供了新的技术思路。

1材料与方法
1.1MFC测试装置
该测试使用了两腔MFC。阳极室和阴极室由有机玻璃制成,有效容积为150 mL。空腔正上方有一个直径为1.5厘米的孔。为了确保厌氧环境,用橡胶塞密封阳极室,并在橡胶塞上开一个孔。放置电极(阳极和阴极为石墨棒加碳毡,石墨棒的直径为5mm,碳毡的尺寸为1.2cm×1.2cm,厚度为1cm,北京三叶碳素有限公司) )。在型腔上方打开另一个孔,以放置饱和甘汞参比电极(SCE,232型,上海精密科学仪器有限公司)。阴和阳两个腔室被阳离子交换膜(CMI27000,美国膜国际公司)隔开,该膜的有效面积为30cm2。负载使用可调电阻箱(ZX21型,天水长城电器厂)。

1.2植物区系和接种来源
细菌群的来源是淀粉工厂排放池中的淀粉废水,社区污水井中的生活污水以及两者的混合溶液(当量)。将这三种细菌液体分别等量暴露于氮气中,然后连接到三组MFC的阳极室中,并补充暴露于氮气中的模拟淀粉废水。模拟淀粉废水的主要成分:淀粉2g / L;蛋白ept0.75g / L; NH4Cl 0.2g / L; NaCl 1.5g / L。缓冲体系为:Na2HPO4•12H2O6.92g / L; KH2PO44.17g / L。为了确保阴极电势的稳定性并减少阴极的影响,在该测试中将16.45 g / L K3Fe(CN)6用作阴极电子受体。缓冲系统为:Na2HPO4•12H2O6.92g / L; KH2PO44.17g / L。

1.3测试与计算方法
输出电压(U)由数字万用表(深圳山创仪器有限公司DT9205L)测量,外部电阻R由可调电阻箱控制,电流根据公式I = U / R计算,并且最大输出功率密度Pm根据公式Pm = IU / V计算得出,其中V是阳极室的实际废水量。总内部电阻Ri,阳极内部电阻Ra,阴极内部电阻Rc和欧姆内部电阻Ro的测量基于文献。

重铬酸钾法和Nessler试剂分光光度法分别测定了COD和NH4 + -N 。用pH计(上海梅特勒-托利多国际贸易有限公司MTTLERTOLEDOSG2)测量pH,并用生化培养箱(SPJ-160B,金坛大地自动化仪器厂)控制温度。除了反应器中指示的温度外,其余均保持在25°C不变。

2结果与讨论
2.1不同接种条件下MFC的发电性能及废水处理效果
2.1.1MFC启动时间和输出电压变化
在外部连接R =2000Ω,运行三组电抗器,并检查在不同接种条件下MFC输出电压随时间的变化。结果如图1所示。

从图1可以看出,使用混合菌源进行接种时,反应器运行19天,输出电压基本稳定在660mV,即启动完成。 MFC接种淀粉废水和生活污水后,反应器运行27天和26天,输出电压基本稳定在510mV和630mV,启动完成。测试结果表明,前者将启动时间分别缩短了29.6%和26.9%,并且在稳定时输出电压更高。

MFC的启动过程实际上是这样的过程,在该过程中,生电细菌附着在电极上并在电极上繁殖,并同时发电。因此,发电细菌的种类和数量是其主要影响因素。使用淀粉废水作为接种源的MFC启动时间长,稳定时输出电压低,这可能是由于电细菌数量少或电细菌活性差所致。当用混合细菌源接种时,不同细菌之间可能会形成种间协同作用,这会缩短启动时间并增加输出电压。


2.1.2 MFC最大功率密度的变化
通过实验研究了不同接种条件下MFC功率密度的变化。测试结果表明,接种混合菌源时,获得的最大发电功率密度为1.92W / m3。生活污水接种的MFC的发电密度为1.81W / m3,居第二。最小功率密度为0.75W / m3。结果与先前输出电压之间的差异一致,并且所产生的功率的功率密度与MFC的总内部电阻成反比。另外,测试结果还表明,在不同的接种条件下,MFC的总内阻主要由阳极内阻决定,而接种了混合菌的MFC的内阻最小,因此发电能力为最好的。

2.1.3 MFC废水处理效果
图2显示了在不同接种条件下经过两个循环的MFC后,废水中COD和NH4 + -N的变化。
从图2可以看出,接种混合菌源的MFC的废水处理效果要好于其他两组,但差别不是很大,这表明除一定程度的COD和NH4 +去除外-阳极室中的氮,产电细菌也参与了COD和NH4 + -N的去除,因此每组MFC对COD和NH4 + -N的去除没有太大差异。


2.2优化混合细菌接种MFC的条件
2.2.1底物pH值的影响
通过实验除去阳极缓冲体系,并用1 mol / L NaOH调节阳极底物的pH。为防止基质的离子强度因添加碱而发生变化,可通过NaCl调节溶液的离子强度,以确保离子强度相等。表1显示了在不同底物pH条件下MFC的发电能力和废水处理效果。


从表1可以看出,MFC在pH为8-10的弱碱性环境中具有较高的发电能力。当pH为9时,MFC具有最佳的发电能力,最大功率密度为2.34W / m3。当pH为7时,MFC的发电能力最差,因为当pH为7时,阳极内阻最大,微生物的发电活性受到抑制,这与G.C.Gil等人的研究结果相似。

不同pH条件下COD去除率的变化趋势与发电效果一致。当pH值为9时,COD去除率最大,为75.1%。 pH值为7时,COD去除率最小,为72.2%。在不同的pH值下,NH4 + -N的去除率变化不大,均为80%左右。

根据测试结果,为了减少阳极基体的pH值变化,在以下测试中,阳极缓冲体系为:Na2CO31.06g / L,NaHCO37.56g / L,阳极基体的pH为调整到大约9。

2.2.2基质离子强度的影响
在这项研究中,改变了阳极基质中NaCl的浓度以优化MFC基质的离子强度。表2显示了在不同NaCl浓度下MFC的发电能力和废水处理效果。


从表2可以知道,随着NaCl浓度的增加,MFC的发电能力先增加然后减少。当NaCl的质量浓度为1.0 g / L时,MFC的发电能力最佳。分析的原因:在一定的离子强度范围内,随着阳极溶液中NaCl浓度的增加,阳极的内阻显着降低,这可能会增加质子的产生和转移的速率,从而提高发电能力。当NaCl的浓度太高时,MFC的输出功率会略有降低。盐含量过高可能会对微生物的生长和活性产生负面影响,从而影响电池的发电能力。在不同的NaCl浓度下,COD和NH4 + -N的去除率具有相同的趋势和发电能力。当NaCl质量浓度为1.0 g / L时,COD和NH4 + -N的去除率最大。

2.2.3基质COD的影响
在之前的测试基础上,阳极基质NaCl的加料质量浓度为1.0 g / L,改变淀粉的加料量以进行基质COD效果测试。表3显示了在不同基质CODs下MFC的发电能力和废水处理效果。


从表3可以看出,随着矩阵COD的增加,MFC的发电容量先增加,然后减少。当COD为3100 mg / L时,MFC的发电能力最大。发生这种变化的原因可能是:在一定的COD范围内,随着底物COD的增加,微生物获得更多的营养,这加速了微生物降解底物并产生电子的速度,从而增加了微生物的发电能力。 MFC。 。同时,淀粉是高分子化合物,溶于水后容易形成胶体。淀粉浓度越高,胶体的数量越多,胶体表面通常带有一定量的电荷,这可能会影响电子和质子的传递,从而影响微生物的发电能力;太多的淀粉用量也可能产生太多的不利于微生物生长和代谢的中间产物,从而影响微生物的发电。

不同基质的COD和NH4 + -N去除率具有相同的趋势和相同的发电量。当基质COD为3100mg / L时,废水处理效果最佳,但总体上差异不显着。

2.2.4温度的影响
表4显示了在不同温度下MFC的发电能力和废水处理效果。


从表4可以知道,较高的温度有利于MFC的发电。温度为30°C时,最大发电功率密度为4.63 W / m3。最大发电密度与阳极的内部电阻负相关。在更高的温度下,微生物的发电活性更大[11],从而降低了阳极的内阻并提高了发电能力。

较高的温度还改善了微生物降解底物的能力。温度为30℃时,COD和NH4 + -N的去除率最大,分别为86.3%和82.6%。


3结论
(1)MFC使用淀粉废水和生活污水混合进行接种,可以节省启动时间,提高发电能力。与淀粉废水和生活污水相比,启动时间分别节省了29.6%和26.9%,最大发电密度分别提高了156%和6.1%,但COD和NH4 + -N的去除率确实提高了变化不大。

(2)在混合菌源接种条件下,当MFC阳极室基质溶液的pH值为9时,NaCl的质量浓度为1.0g / L,基质COD为3100mg / L,温度为30°C,最大发电密度为4.63W / m3,最大COD去除率为86.3%,最大NH4 + -N去除率为82.6%。

(3)阳极的内阻是MFC发电能力的决定因素。随着阳极内阻的减小,MFC的发电能力增加。

(4)微生物燃料电池对COD和NH4 + -N的去除受环境因素的影响较小,并且在不同接种条件下其去除率变化不大。

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