连云港废水一体化污水处理设备安装指导

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　MFC的产电能力与电池结构、电极材料、微生物活性、电子受体类型等因素有关。产电微生物因受自身生物活性的限制及其生命活动受外界环境因素的影响，导致其分离、转化电子的速度较慢，以至于目前研究报道中产电微生物的产电能力普遍偏低，即MFC产生的电流较小，严重限制了MFC的大规模推广应用。关于MFC产电能力的研究，目前多集中在优化MFC结构、提高MFC的功率输出及制备新电极材料等方面。史雨茹等研究了MFC在不同连接方式下的产电效率及对污水的处理能力，发现相比于单个燃料电池，电压串、并联及其研究中报道的生物量串、并联都能使燃料电池的工作电压有不同程度的提高，并能不同程度地提高燃料电池对有机物的降解能力。崔心水等在双阴极三室MFC中实现了同步脱氮和产电功能，发现不合理的MFC构型会制约MFC的生物电化学过程而影响MFC的产电性能。ZHAO等通过构建不同阳极面积的多阳极沉积物MFC(sedimentmicrobialfuelcell,SMFC)，对其长期性能进行研究后发现增加阳极面积可以增大SMFC的发电量。该研究通过实验证明了阳极之间的距离对SMFC功率输出的影响有限，为MFC的发展奠定了基础。以上研究表明，电池连接方式及构型、电极面积等因素都影响MFC的产电性能。

　　新材料可以改善污废水处理中的生物反应，强化物理和化学反应，同时污水处理的资源化、能源化也要依赖于新材料。有研究者通过优化MFC的电极材料提高了MFC的产电能力。ZHONG等利用聚二烯丙基二甲基氯化铵(polydiallyl-dimethylammoniumchloride,PDDA)修饰炭毡阳极，PDDA-MFC的启动时间只有9h，是未修饰MFC的7.5%，并且其最大输出电压和最大输出功率密度分别为741mV和537.8mW/m2，比未修饰的MFC分别高75.2%和230.1%，可见对MFC电极进行修饰可以显著提高MFC的启动速度和产电性能。陈稳稳等在尿液MFC(urine-poweredmicrobialfuelcell,UMFC)中使用超级电容器活性炭修饰的阳极碳布，研究结果表明修饰后的UMFC的最大电压为0.629V，是未修饰电极的1.2倍，最大功率密度是未修饰电极的1.8倍，表明使用超级电容器材料活性炭修饰MFC阳极能有效提升其整体性能。余登斌等研究了碳纳米材料修饰阳极对MFC传感器的电化学性能及水体毒性检测灵敏度的影响，研究结果表明多壁碳纳米管和导电炭黑修饰电极可以提高MFC的功率输出。

　　通过相关实验研究报道可知优化MFC的结构、修饰或改善电极材料等能在一定程度上改善MFC的产电性能，但新材料一般经济成本偏高，导致MFC制备成本高，限制了MFC的推广应用。笔者认为若在微生物层面设法分离、筛选出产电能力强、转化电子速度快的微生物菌株，从微生物产电层面提高电子产生量，并通过实验研究解析、验证电子的传输机理(如图2)而提高微生物与电极之间的电子传递速率，通过从本质上解决微生物产电量低、电子传递速率慢的问题而提高MFC的产电能力，将有助于降低MFC的制备成本并利于MFC的推广应用。如SAMARAT等在圆形MFC中使用一种海水细菌并成功地把NO3-降解成N2，其研究发现所用的海水细菌能够在MFC阳极的磷酸盐缓冲溶液和阴极的碳酸氢盐缓冲溶液中通过产电而降解水体内的污染物。该海水细菌的使用证明发掘产电微生物有利于提高MFC的产电能力并扩大其污水处理领域，此研究为MFC的进一步应用奠定了理论基础。

目前关于MFC处理污水的研究报道较多且研究比较深入的是用MFC处理含氮废水，主要集中在研究影响污水脱氮的因素、调控脱氮效率等方面。刘若男等通过构建生物阴极双室MFC探究温度冲击对MFC脱氮的影响，发现当温度在25℃时系统的氨氮去除率达到95.71%，总氮去除率为80.46%，当温度降至15℃后系统的脱氮性能变差，总氮去除率仅为20.82%，该研究表明温度冲击对MFC脱氮效果影响较大。刘若男等探究在微氧条件下曝气量对生物阴极双室MFC产电性能和阴极脱氮的影响，实验结果表明在曝气量为1.64mL/min的条件下短程硝化反硝化脱氮其亚硝态氮积累率为81.70%，总氮去除率达到69.66%。ZHONG等通过把硫化物和硝酸盐分别作为MFC的阳极电子供体和阴极电子受体，在一种新型的反硝化硫化物脱硫装置中实现了回收能量的同时去除水体污染物的目的，其研究证明缩短水力停留时间或者提高温度有利于MFC去除废水中的污染物，为MFC未来的应用奠定了基础。以上研究报道中MFC氧化污废水中的碳水化合物产生电子并把含氮废水降解为氮气，减少了二氧化碳的排放量，且产物无二次污染物产生，说明MFC技术是一种安全、可靠、环保的污水处理途径，具有较大的环保价值及开发潜力。

　　虽然国内外对MFC在污水处理的研究已取得一定的成果，为其在污废水处理领域的应用奠定了理论基础，但应看到目前MFC处理污废水的效率仍有提升空间和进一步研究的价值，且关于MFC处理成分复杂的实际污废水的研究报道相对较少，因此应继续加强MFC应用于实际污废水处理的研究，通过进一步优化MFC的构型、降低MFC制备成本、调控MFC运行条件并扩大MFC处理污水的范围，以提高MFC对实际污废水的处理效率，为其未来的工业化应用积累经验、奠定基础。

　　4、MFC工艺应用

　　目前的研究报道中，质子交换膜、贵金属电极等高成本元件的使用导致MFC制备成本较高，同时产电微生物的产电能力偏低，导致MFC无法大规模工业化应用，因此关于MFC处理污废水，目前只有实验室规模研究的报道。就中国目前水污染治理产业的发展现状而言，污水处理技术正处于革命时期，产业和技术融合是大势所趋，MFC技术与污水处理产业无法有效融合主要是受限于MFC反应器规模较小，MFC反应器的放大问题已严重制约其工业化应用。在MFC反应器目前无法有效放大的情况下，考虑到不同污废水具有不一样的理化特性，笔者认为可以将MFC与其他污废水处理工艺进行耦合联用，通过不同污水处理工艺的优势互补，有利于扩大MFC的应用规模及领域并实现其应用价值。目前已有部分研究报道为MFC与其他工艺的耦合联用奠定了理论基础，如WANG等将MFC集成到序批式反应器(sequencingbatchreactor,SBR)中，通过优化MFC和SBR模块之间的化学需氧量(chemicaloxygendemand,COD)负载分布，增强了MFC的发电能力，该研究为MFC与SBR工艺耦合奠定了理论基础。MFC与其他污水处理工艺耦合，除了可以提高MFC的产电能力，还可以降低污水处理过程中的污泥产量，能产生较大经济价值，是污水厂提标改造的一种新方法。GAJARAJ等将MFC耦合到单缺氧池有内回流的前置反硝化污水脱氮工艺(modifiedLudzack-Ettinger，MLE)中，并与膜生物反应器(membranebio-reactor，MBR)工艺联用，评估使用MFC辅助的污水处理系统的性能后发现MLE-MFC系统的平均出水COD浓度较低，其NO3--N去除率提高了(31±12)%，同时污泥产量减少了11%。因污泥处理成本占污水处理厂运行成本的30%~50%，可见MFC在污水处理行业具有巨大的价值潜力。综上可知，MFC与其他污水处理技术联用有助于提高污水处理效率、降低污水处理过程中产生的污泥量，具有较大工业应用潜力。

　　目前关于MFC与其他污水处理工艺的研究大都处于实验室规模研究阶段，距工业化应用有一定距离，因此MFC与其他工艺联用可以作为未来的一个研究方向。将MFC与目前流行的污水处理技术如SBR工艺、厌氧好氧(anoxicoxic，A/O)工艺、MBR工艺等相融合，生物处理与电化学污水处理相融合，充分发挥不同工艺的优势，通过进一步深入研究放大MFC反应器的规模及提高MFC污水处理效率，使MFC早日在工业上实现规模化应用，在污废水处理领域创造经济、社会效益。

　　当前，污水处理工艺流程有油水分离、污水改性、低渗透油田回注等阶段。但是稠油污水处理的难度相对较大，且处理工艺也存在很多不完善之处，所以在污染物处理时效果不佳，致使水质不达标，从而影响其运行，使膜的更换次数增多。通过分析可知有机污染是导致膜污染的主要原因，并且有机污染物在膜表面聚集起来，会产生粘性包外聚合物，从而使膜污染加重。因此，膜污染需要应用限制性培养技术进行有效降菌，增加生物处理单元，以此增强污水中污染物的去除效果，并有效抑制住膜污染。

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　1、实验材料和方法

　　1.1 实验材料

　　①样品采集，本次实验用水采用联合现有的处理流程，而实验用油是脱水原油，并且菌种是来自于污水和微生物中心的实验菌种库;

　　②实验用培养基，目前，芳香烃降解菌和饱和烃降解菌的培养基，以及沥青降解菌和富集培养基，其筛选培养基都一样，并且其碳源是正十六烷和正己烷。

　　1.2 实验方法

　　①分析细菌在稠油中的降解特性，通过建立详细的培养流程，将5%的细菌进行接种，然后放在点已经进行脱水原由的培养基中，使其在37℃震荡培养箱中，7天后在萃取剩下的稠油，之后再使用氧化铝吸附柱层析法进行分析。当饱和烃和芳烃分离出来时，要通过气相色谱进行扫描分析，要适时调整其温度变化;

　　②膜染物分析方法，在点所采用的膜污染物，分成两份，一份称重，另外一份进行能谱分析，用甘油浴对膜污染进行蒸馏。同时在膜污染处理时，要使其真空，而且要相对干燥，才能使剩余物有效溶解和回流，从而确定可溶物的质量。而对于不溶物回流，要确定其沥青的含量和质量，并且要对其中的固体进行XRD衍射分析和研究。

　　2、结果和讨论

　　2.1 膜污染的原因分析

　　由于现有污水处理工艺流程不是很完善，所以很多时候存在膜通量衰减和膜组建速度较快的情况，从而致使该点水质经常出现不达标的问题。

　　①观察污染膜面的微观形态，通过电镜观察，磨面有大量有机污染物，其表面较密，且有锁状物交错。由于磨面细菌较多，产生了大量的粘性胞外聚合物，从而在膜表面形成了很厚的污染层;

　　②水质分析，通过对膜过滤前后的水质分析可知，其处理工艺去除效果有待加强，主要表现为膜过滤后，油含量等依然较多，很多污染物会吸附在膜表面，从而导致膜孔发生堵塞的情况，并由此使膜通量不断降低;

　　③污染物成分分析，膜面污染物主要是由氧元素和碳元素组成，这两种元素占85%以上，并且膜面污染物中还含有硫和钙等元素。当然导致膜污染的主要因素是有机污染，主要是由于处理工艺的沉淀功能和多介质的过滤性能较差，从而致使污染物在膜表面大量吸附。无机污染物中的无机离子具有难溶性，加速了其污染。

　　2.2 稠油降解特性分析

　　①菌群对稠油的降解特性，通过菌群作用之后，可有效降低饱和烃和芳烃的质量分数，而对于非烃和沥青的质量分数则有所提高。由于菌群消耗了原油中的成分较多，其分组会产生相应的变化;

　　②高效降解菌的选择和培育，通过使用选择性培养技术，选择质量较好的稠油降解菌，以此使其生长发育的性能更加稳定。

　　2.3 生物处理对膜污染的抑制作用

　　①使膜通量的变化相对稳定，目前，膜通量的主要考察参数是膜前预处理的效果如何?所以膜一旦受到污染，将会致使膜通量迅速减少。如果通量损失小于15%，那么将使膜可以长时间的稳定运行。由于生物处理技术能有效减少膜污染中的元素，所以充分利用生物中的底物，能有效去除掉吸附在膜表面的生物污染；

　　②膜表面微观形态的分析，通过对新膜和没有处理过的污染膜进行分析，可知污染膜的分离层中有大量污染物，使堵塞膜孔十分严重，使膜表面更加粗糙。所以在减缓膜污染时，必须要消除污水中的石油类等污染物，才能使效果更加明显；

　　③生物处理对污水中石油类等其他物质的去除效果，由于生物处理技术对污水中石油类物质的去除效果较好，所以该技术得到了更多的应用，生物反应器具有推流式的特点，使石油类等其它物质在生物系统内形成了分级食物链，以此让这些物质捕食游离的细菌，使水质得到净化。