1、 题目 新型微生物电 化学 废水处理技术 摘 要 本论文基于 BES 的技术，研究了单室空气阴极 MFC 处理两类废水。分别为 易处理的驱油液废水、联合西兴食品厂及李锦记食品厂废水，以及难处理的印染 废水和机械炼油厂废水。 MFC 处理驱油液废水，其处理周期约 23h， COD 去除率为 87%，功率密度 为 24W/m3，周期产能密度达到 0.304kWh/m3。处理联合西兴废水，处理周期约 13h， COD 去除率为 85%，功率密度为 18W/m3，周期产能密度达到 0.063kWh/m3。 处理李锦记食品厂废水，处理周期约 34h， COD 去除率达 92%，功率密度为 6.6W/m3
2、，周期产能密度达到 0.230kWh/m3。 印染废水由于其生物毒性， MFC 直接处理效果很差。采前处理技术先处理 印染废水后， MFC 性能得到较大改善。 MFC 处理机械炼油厂废水其效果较差， 其原因可能是废水中悬浮物覆盖在电极表面，影响产电细菌在电极表面的附着。 关键词 ：微生物电化学系统 (BES)；微生物燃料电池 (MFC)；处理实际废水；产电性能；处理效果；前处理 Abstract The paper introduces the use of two kinds of wastewater in the single-chamber air-cathode MFC proces
3、sing based on BES. The Easy processing wastewater such as Flooding wastewater, United Xixing food factory wastewater and Lee Kum Kee Food Factory wastewater is one kind, and the wastewater difficult to treat such as printing and dyeing wastewater and mechanical oil refinery wastewater is the other.
4、Using MFC to traet flooding wastewater, the treatment period is about 23h, the removal rate of COD is 87%, the power density is 24W/m3, cycle capacity density reached 0.304kWh/m3.When treating United Xixing food factory wastewater, the the treatment period is about 13h, the removal rate of COD is 85
5、%, the power density is 18W/m3, cycle capacity density reached 0.063kWh/m3.And when treating Lee Kum Kee Food Factory wastewater, the the treatment period is about 34h, the removal rate of COD is 92%, the power density is 6.6W/m3, cycle capacity density reached 0.230kWh/m3. Because of its toxicity,
6、the treatment that MFC treats printing and dyeing wastewater directly is not goog. Mechanical oil refinery wastewater, MFC is not efficent for its treatment. When the dilution ratio of this wastewater is low, its internal COD degradation is not related to microbial electrochemical action. Keywords:
7、bioelectrochemical system(BES) microbial fuel cell(MFC) actual wastewater treatment production of electricity treatment efficiency pretreatment ii 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第一章 绪论 . 1 1.1 背景介绍 . 1 1.2 以往的研究 . 1 1.3 最新的研究成果 . 2 1.4 本文内容 . 2 第二章 实验装置及分析测试技术 . 3 2.1 实验仪器与材料 . 3 2.1.1 实验仪器 . 3 2.1.2 实验试
8、剂 . 3 2.1.3 实验电极 . 4 2.1.4 溶液配制 . 4 2.1.5 实验废水 . 5 2.1.6 实验接种物 . 5 2.2 实验装置 . 5 2.2.1 实验 MFC 反应器 . 6 2.2.2 实验系统的构建和运行 . 6 2.3 电化学分析方法与技术 . 7 2.3.1 MFC 输出电压采集 . 7 2.3.2 MFC 功率密度的测定 . 7 2.3.3 库伦分析法 . 8 2.3.4 周期产能及周期产能密度计算 . 9 2.3.5 电极电位测量 . 9 2.4 水质分析方法 . 10 2.4.1 水样 COD 测定 . 10 2.4.2 COD 去除率 . 10 2.4
9、.3 水样性质测量 . 10 2.4.4 废水处理周期计算 . 10 2.5 MFC 评价指标 . 11 2.5.1 废水处理效果评价指标 . 11 iii 2.5.2 产电性能评价指标 . 11 第三章 实验方法与实验流程 . 12 3.1 微生物电化学系统处理易处理类废水研究 . 12 3.1.1 MFC 的启动研究 . 12 3. 1.2 MFC 废水处理效果及产电性能研究 . 13 3.2 微生物电化学系统处理难处理类废水研究 . 14 3.2.1 MFC 的启动研究 . 15 3.2.2 预启动 MFC 及前处理废水技术对 MFC 处理难降解类废水性能改善的研究 . 15 3.2.3
10、 预启动 MFC 直接运行废水研究 . 16 第四章 微生物电化学系统处理易处理类废水技术 . 18 4.1 MFC 的启动结果 . 18 4.1.1 接种废水启动结果 . 18 4.1.2 废水原水直接启动 MFC 结果 . 19 4.2 MFC 功率密度曲线 . 22 4.3 MFC 废水处理效果及产电性能结果 . 23 4.3.1 MFC 处理驱油液废水 . 23 4.3.2 MFC 处理联合西兴食品厂废水 . 25 4.3.3 MFC 处理李锦记食品厂废水 . 26 4.4 MFC 处理易降解类废水结果总结 . 28 第五章 微生物电化学系统处理难处理类废水技术 . 30 5.1 MF
11、C 的启动结果 . 30 5.1.1 印染废水接种启动 . 30 5.1.2 机械炼油厂废水接种启动 . 30 5.1.3 稀释 10 倍机械炼油厂废水直接启动 MFC . 32 5.1.4 废水启动实验结果分析 . 33 5.2 预启动 MFC 运行结果 . 33 5.2.1 印染废水 . 33 5.2.2 前处理印染废水 . 35 5.2.3 机械炼油厂废水 . 35 5.2.4 前处理机械炼油厂废水 . 38 5.3 MFC 处理难降解类废水结果总结 . 39 第六章 结论 . 40 参考文献 . 42 iv 致谢 .43 v 浙江大学本科生毕业论文 新型微生物电化学废水处理技术 第一章
12、 绪论 1.1 背景介绍 能源短缺和污染治理是 21世纪人们面对的两大严峻问题。在废弃物处理中， 治理废水无疑是非常重要的一部分。工业废水和生活污水，用传统技术处理通常 伴随着能耗大、见效慢、处理率低、技术要求高、污泥产生多等不同的问题。而 自二十世纪九十年代起，微生物燃料电池技术（ MFCs）和微生物电解池技术（ MECS） 快速的发展，为废水的处理提供了新的思路。由于在兼顾废水处理效果的情况还 注重产电带来的产能回收，因此一个更合适的术语，生物电化学系统（ BES）被 推出。 MFC技术其运行条件简单，步骤不复杂，而且 MFC 部分能做到产电，以降低 整体能源消耗，是一种具有很大潜力的新型
13、废水处理技术。有评估显示，污水处 理厂处理的现有废水中含有 9.3 倍于污水处理所消耗的能量 1。如能利用，将节约 大量的处理成本，并创造可观的经济收益。 当然，虽然微生物电化学废水处理技术，具有着巨大的潜力，但是目前由 于诸多技术原因，这种技术还处于不成熟的阶段。如何提高其库伦效率、处理速 度、产电性能，扩大其 规模，维持其稳定运行等都是需要进一步研究或优化的问 题 2。尤其由于废水其组成复杂性，废水成分对于微生物燃料电池性能的影响的 研究仍然处于起步阶段。 本研究的目的是通过对不同种类污水的进行实验， MFC 处理实际废水的效 果。对于易处理废水，关注其产电性能和处理效果，对于难处理难降解
14、废水，一 方面分析其处理困难的原因，另一方面关注如何改进处理方法以获得更好的处理 效果。 1.2 以往的研究 微生物燃料电池是以微生物为催化剂，将储存在有机物中的化学能转化为电 能的装置。在 20 世纪 80 年代后期，电子转移介体的应用使得微生物燃料电池其 1 浙江大学本科生毕业论文 新型微生物电化学废水处理技术 输出功率有了大幅提高，极大的促进了相关方面的研究。宾夕法尼亚大学的 Bruce E Logan 课题组就 MFCs 处理市政废水方面进行了深入研究，在 2007 年将输出 功率提高到了 2400mW/m2。马萨诸塞大学的 Derek R Lovley 课题组则成功找到 了不需要电子
15、转移介体的产电菌。韩国大学 Buyung Hong Kim 制造出无需胞外 电子介体的 MFCs，美国工程院院士亚利桑那州立大学的 Bruce Rittmann 研究了 生物膜中的电荷传递机理。上述研究对于 MFCs 的进一步应用研究带来了很大的 帮助。至此， MFCs 已经成为新能源领域以及污染处理领域的新热点。 1.3 最新的研究成果 目前关于 MFCs 处理实际废水的研究，主要集中在几个方面。一是研究如何 使用 MFCs 处理传统微生物电化学技术难处理、难降解的废水。二是研究如何扩 大反应器，将 MFCs 实用化，创造出一项可以用来直接处理实际废水的技术。三 是探究 MFCs 中微生物电
16、化学反应的具体原理，期望弄清其反应细节以指导 MFCs 的相关研究。四是从生命科学角度着手，以产电微生物作为研究对象，期 望对其进行改良，以获得更好的产电微生物群落，提升 MFC 性能、 1.4 本文内容 本文为使用微生物电化学系统处理实际废水的研究。主要研究对象为易处理 易降解的废水，如驱油液废水、李锦记食品厂废水、联合西兴食品厂废水，以及 难处理难降解类别的废水，如印染废水和机械炼油厂废水。 对于易降解类废水，主要针对其 MFC 处理时的性能进行研究，探求其最大 功率密度、最快处理速度、最大产能、电能回收率、 COD 去除率等废水处理的 关键参数。以此来知道 MFC 处理该类废水的进一步研
17、究。 而对于难处理难降解类的废水，对其进行 MFC 处理实验，如若其处理性能 不好，则研究 MFC 不能很好处理这两种废水的原因。并对废水进行前处理，以 改善其 MFC 中运 行性能。 最后总结实验结果，对 MFC 处理不同废水情况作整理。 2 浙江大学本科生毕业论文 新型微生物电化学废水处理技术 第二章 实验装置及分析测试技术 2.1 实验仪器与材料 2.1.1 实验仪器 本实验，在实验材料制备阶段使用了高温烘箱制备所需电极。在实验进行阶 段使用了数据采集测量仪实时监测反应器电信号，使用 COD 消解仪及分光光度 计的 COD 值，使用 PH 计及电导率计测量水样 PH 质及电导率情况。主要
18、仪器 见表 2.1 表 2.1 实验所需主要仪器 仪器 型号 生产公司 数据采集记录仪 2701 美国吉士利仪器公司 数字式消解器 DRB200 美国哈希公司 便携式分光光度计 DR2800 美国哈希公司 移液枪 TopPette 大龙兴创实验仪器 (北京 )有限公司 (DragonLab) 电子天平 JA2003 上海上平仪器有限公司 PH 计 LE438 美国梅特勒 -托利多公司 电导率计 LE703 美国梅特勒 -托利多公司 2.1.2 实验试剂 实验需用试剂见表 2.2 3 浙江大学本科生毕业论文 新型微生物电化学废水处理技术 表 2.2 实验所需主要试剂 试剂 纯度 生产厂家 无水乙
19、酸钠 分析纯 国药集团化学试剂有限公司 十二水合磷酸氢二钠二水合磷酸二 分析纯 国药集团化学试剂有限公司 氢钠 氯化铵 分析纯 国药集团化学试剂有限公司 氯化钾 分析纯 国药集团化学试剂有限公司 COD 快速试剂 美国哈希公司 2.1.3 实验电极 实验用阳极为碳刷。碳刷直径 2.5cm,长 2.5cm,钛丝为刷芯。使用前用清水清 理干净，然后放入异丙醇溶液中浸泡 24小时，空气中干燥后在程控式烘箱中 450 高温下加热 1 小时。安装入反应器之前，要先对碳刷侧面进行修剪以防止其过长 触碰阴极造成短路。 实验室使用阴极为本实验室自制，具体制备工艺见文献报道。 2.1.4 溶液配制 实验中所用溶
20、液为含有 PBS 缓冲液、矿物质溶液基质的溶液。配方分别见 表 2.4、 2.5。实验中使用矿物质溶液为实验室配方。 PBS 缓冲液及矿物质溶液配水为去离子水。基质溶液其配水为前述配置好的 PBS 缓冲液。 表 2.4 实验用磷酸盐缓冲液（ PBS）配方 成分 浓度 Na2HPO412H20 11.466g/L NaH2PO42H20 2.75g/L NH4Cl 0.31g/L KCl 0.13g/L 表 2.5 实验用基质溶液配方 成分 浓度 4 浙江大学本科生毕业论文 新型微生物电化学废水处理技术 无水乙酸钠 2g/L 矿物质溶液 12.5mL/L 2.1.5 实验废水 本实验测试的废水为
21、驱油液废水、联合西兴食品厂废水、李锦记食品厂废水、 印染废水、机械炼油厂废水等 5 种。 其中联合西兴食品厂废水、李锦记食品厂废水、驱油液废水其 COD 较低， 生物毒性小，从数据上看易于在传统 MFC 中进行处理 3。而印染废水则是属于 COD 较高，生物毒性大，自然降解效果差的废水 4。机械炼油厂废水，其成分极 其复杂，原水 COD 很高，自然降解效果很差。实验中所使用废水的具体参数见 下表 2.6 表 2-6 实验用废水参数 废水来源PH 电导率 COD 颜色 浊度 气味 （ mS/cm）（ mg/L） 联合西兴食 约 6.74 约 1.964 约 1540 暗绿 有悬浊物 不明显 品厂废水 李锦记食品 约 6.95 约 1.045 约 1234 浅乳白色 浑浊 污泥臭味 厂废水 驱油液废水 约 7.50 约 9.44 约 1360 透明 有悬浊物 不明显 印染废水 约 9.1 约 10 约 9500 暗红色 有悬浊物 不明显 机械炼油厂 约 5.7 约 35 约 20000 乳黄色 有大量悬 不明显 废水 浊物 2.1.6 实验接种物 本实验，在 MFC 启动过程中，需要使用一种富含微生物的溶液来为反应器 接种。因此，使用实验室接种瓶倒出液作为接种液。该接种瓶微生物，初始取自 某污水处理厂污泥中，经由实验室长期培育驯化而得，为一杂菌体系。 2.2 实验装置 5
