曹文倩，琚依婷，全秋雨， 朱重根，李永峰，程國玲

(東北林業(yè)大學 林學院，哈爾濱 150081)

0 前言

微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)是廢水中的有機物被微生物代謝從而將化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置[1]。與傳統(tǒng)處理技術(shù)對比，MFC無需外界能量輸入并且可以產(chǎn)生電能，因此具有廣闊的應用前景[2]。

上流式厭氧污泥床，即UASB反應器(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)，在Lettinga教授[3]于1977年提出后，受到研究者廣泛關(guān)注，是十分高效的一種厭氧生物處理技術(shù)。

目前，UASB反應器主要被應用于廢水處理，應用范圍廣泛，例如處理生活污水[4]、高濃度蛋白廢水[5]等。而隨著能源問題加劇，國內(nèi)學者開始注重UASB在產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷方面的作用，如李永峰等人[6]利用UASB探究Fe2+對生物產(chǎn)氫機制影響。為實現(xiàn)UASB更好的利用，研究者們嘗試建立UASB反應器與其他反應器的耦合系統(tǒng)實現(xiàn)處理效率的提高，如李超等人[7]通過構(gòu)建UASB-A/O耦合工藝用來處理印染廢水。

本實驗構(gòu)建了UASB-MFC耦合系統(tǒng)，該系統(tǒng)以UASB為主體，在懸浮層耦合微生物燃料電池，通過常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測對污水處理效果進行評估，以期為實際工藝提供實驗和理論依據(jù)。

1 實驗材料、裝置及方法

1.1 活性污泥來源

本實驗采用來自哈爾濱市南崗區(qū)太平污水處理廠二沉池中的活性污泥。

1.2 實驗廢水

本實驗所用溶液為紅糖稀釋而成的糖蜜廢水，實驗過程中根據(jù)不同階段的要求加入不同比例的紅糖和水，同時向廢水中加入磷酸二氫鉀及氯化銨，使COD∶N∶P為1 000∶5∶1，為保證微生物正常生長所需環(huán)境，在每次配置廢水時需要投加一定量的碳酸氫鈉以維持適宜pH。

1.3 實驗裝置

圖1顯示的為本實驗裝置圖，反應裝置主要由有機玻璃組成，其中MFC的陽極安裝在升流式厭氧污泥床內(nèi)部，UASB與MFC共同構(gòu)成產(chǎn)電產(chǎn)氫的耦合系統(tǒng)。升流式厭氧污泥床高1.0 m，直徑20 cm，有效容積10 L，其主要分為三部分，水流由下向上運動。反應器最下方為污泥層，污泥層中的大部分有機污染物都可被其中的活性微生物代謝降解。MFC設置在反應器中間的污泥懸浮層。這是因為懸浮層中有大量厭氧消化的剩余產(chǎn)物以及中間產(chǎn)物，產(chǎn)電微生物可以利用這些物質(zhì)產(chǎn)生電能，既對進入反應器的廢水進行了進一步的處理，又實現(xiàn)了資源化；UASB-MFC耦合系統(tǒng)頂部設置了三相分離器，氣體從頂部溢出，處理水從頂部側(cè)方出水區(qū)流出，污泥沿反應器器壁下滑，最后落回到污泥層。MFC系統(tǒng)的陽極設置在UASB反應器內(nèi)部，由碳氈構(gòu)成，其陰極則在外部與空氣接觸，主要材料為自制碳布。陰陽級由銅導線和1 000 Ω電阻連接并構(gòu)成閉合回路。

圖1 UASB-MFC 耦合系統(tǒng)的實驗裝置示意圖

1.4 污泥馴化培養(yǎng)與接種

將污泥置于篩網(wǎng)中進行人工沖洗篩選去除大顆粒雜質(zhì)后再將去除雜質(zhì)后的污泥轉(zhuǎn)移至桶中，接入增氧氣泵對桶內(nèi)污泥進行曝氣處理，同時將配置好的糖蜜廢水倒入桶中，保證糖蜜廢水的COD∶N∶P為1 000∶5∶1。本次曝氣采用間歇曝氣的方式，平均每日曝氣20 h左右，停止曝氣2-3 h，在污泥靜置后，觀察污泥沉降性能，去掉上層濁液，再次加入配置好的糖蜜廢水，待污泥呈現(xiàn)為棕色或者黃棕色絮狀顆粒時停止曝氣并將馴化好的污泥接入UASB-MFC反應器。

1.5 分析方法

1.5.1 判斷是否啟動成功

實驗采用低負荷連續(xù)進水啟動方式。首先控制進水COD濃度在2 000 mg/L左右，反應器的溫度在35℃左右，pH7.5左右，不斷縮短水力停留時間以增大容積負荷。水力停留時間分別為18 h、16 h、14 h、12 h、10 h、8 h、6 h，通過對HRT的控制，實現(xiàn)耦合系統(tǒng)的快速啟動。

表1 啟動階段參數(shù)控制

本次實驗通過觀察COD去除率、液相末端產(chǎn)物、pH等，觀察啟動過程中反應器內(nèi)部的運行狀況。當污泥性質(zhì)穩(wěn)定、不發(fā)生變化時，可認為耦合系統(tǒng)啟動成功。

1.5.2 確定系統(tǒng)最佳有機負荷

保持水力停留時間不變，耦合系統(tǒng)性能的優(yōu)化通過不斷提高進水COD濃度實現(xiàn)。優(yōu)化階段，控制水力停留時間為啟動實驗中得出的最佳停留時間，進水流量40 L/d，分別控制進水的COD濃度為2 500 mg/L，3 000 mg/L、3 500 mg/L、4 000 mg/L、4 500 mg/L,監(jiān)測每個階段的有機物含量、pH、氧化還原電位、電壓電流，從而確定系統(tǒng)最佳有機負荷。

表2 優(yōu)化階段反應器參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 啟動階段COD去除率及其變化

反應器啟動時的進水COD濃度為2 000 mg/L，水力停留時間為18 h，在啟動過程中，保持進水COD濃度不變，減少HRT，以提高容積負荷。

由圖4可得，在第1-7 d內(nèi)，除了COD去除率低以外，出水中也有部分污泥。在反應器啟動后10天，反應器的COD去除率最低為8%左右。第11天開始，水里停留時間改為16 h，COD去除率出現(xiàn)降低后小幅上升規(guī)律，上升后去除率最高是在第20 d，去除率達到24%，受到?jīng)_擊后UASB的處理能力出現(xiàn)波動，后逐漸好轉(zhuǎn)。20 d以后，根據(jù)設置的參數(shù)一次縮短水力停留時間。每次改變水力停留時間后，COD去除率均出現(xiàn)短暫變化，1-2 d后恢復穩(wěn)定，但總體而言，COD去除率有上升趨勢。當水里停留時間為6h時，反應器COD去除率為60.85%，達到了最高值。為驗證反應器啟動最合適的水力停留時間，在第48d，縮短水力停留時間至5 h，得出容積負荷為9.6 kg·m-3·d-1，由于上升流速過大，導致大量污泥流出，且COD的去除率下降，因此可得出該UASB反應器能承受最大容積負荷為8.0 kg·m-3·d-1，最佳水力停留時間是6 h。之后將反應器的水力停留時間再次調(diào)回6 h，運行兩周時間后，污泥膨脹和污泥流出的現(xiàn)象未出現(xiàn)，去除率穩(wěn)定在58%左右，認為反應器啟動成功。

圖2 不同HRT下的反應器的COD去除率

2.2 啟動階段液相末端產(chǎn)物(VFAs)及pH變化

整個啟動階段，出水pH由7.5逐漸降低到6.7左右。

由圖3可以看出在反應器運行的第21天，液相末端產(chǎn)物主要為乙酸、乙醇、丙酸、丁酸，其中三種酸濃度相當，無明顯優(yōu)勢產(chǎn)物，反應器內(nèi)的發(fā)酵類型主要為混合酸型發(fā)酵。在每次改變水力停留時間之前測定液相末端產(chǎn)物，可以看出隨著水力停留時間的減少，乙酸、乙醇的濃度在逐漸增加，丙酸和丁酸的濃度在逐漸減少。乙酸逐漸成為優(yōu)勢酸，說明反應器逐漸向乙醇型發(fā)酵轉(zhuǎn)變。

2.3 不同容積負荷對COD去除率的影響

在提高負荷的階段，按表2分五次提高進水COD濃度且保證水力停留時間6 h不變。由圖4得，48-57 d，當進水COD濃度增加到2 500 mg/L時，啟動階段的去除率高于前5天的COD去除率，從第53 d開始，COD去除率開始上升，最高的COD去除率達到62.75%。第68-87 d，分三次按照圖6改變進水COD濃度，每次改變進水COD濃度后，COD去除率都會出現(xiàn)暫時的降低。其中進水COD濃度為3 000 mg/L時，COD去除率下降后恢復時間最長；當進水濃度為4 000 mg/L時，恢復時間最短。這時COD最大去除率為69.21%。進一步提高進水COD濃度，容積負荷可達18 kg·m-3·d-1，由圖可得此階段COD去除率急速下降，甚至接近啟動階段的最大COD去除率。為防止COD去除率繼續(xù)下降，降低進水COD濃度，保證反應器內(nèi)有機負荷為16 kg·m-3·d-1，反應器處理效率逐漸回升，最后維持在68%左右。

圖3 不同啟動階段液相末端產(chǎn)物及pH變化

圖4 不同容積負荷下COD去除率變化

2.4 不同容積負荷下系統(tǒng)產(chǎn)電情況

由圖5、圖6可知，電壓在進水COD濃度為2 500 mg/L時總體呈上升趨勢，但電壓并不穩(wěn)定。此后電壓隨著每次進水COD濃度的提高，都會短暫降低。在進水COD濃度為3 000 mg/L時，電壓變化也有較大波動，但較2 500 mg/L時有所緩和。COD濃度達3 500 mg/L時，電壓穩(wěn)定上升；COD濃度為4 000 mg/L時電壓基本穩(wěn)定，大約為134 mV，此時功率密度大約為為89.72 mW/m2。當COD濃度繼續(xù)增大時，電壓下降，這可能是因為有機負荷過高導致反應器內(nèi)有機酸積累，不利于產(chǎn)電細菌正常生命活動。進水濃度轉(zhuǎn)變?yōu)? 000 mg/L時，電壓又逐漸穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在125 mV左右。

圖5 不同COD濃度下MFC電壓變化

圖6 不同進水COD濃度下功率密度變化

3 結(jié)論

(1)反應器在低負荷條件下啟動，HRT從高到低分別為18 h、16 h、14 h、12 h、10 h、8 h、6 h變化。反應器啟動成功經(jīng)過了47 d。此時HRT為6h，容積負荷為8.0 kg·m-3·d-1，反應器COD去除率達58%。反應器內(nèi)發(fā)酵類型為混合酸型發(fā)酵，啟動結(jié)束后出水pH大約在6.7左右。

(2)通過提高進水COD濃度來優(yōu)化反應器性能。反應器可承受的最大容積負荷為16.0 kg·m-3·d-1，當進水COD濃度為4 000 mg/L，最高COD去除率為69.21%。有機負荷過高影響反應器處理有機物的能力。優(yōu)化階段，有機負荷也影響MFC的產(chǎn)電性能。本次試驗MFC連續(xù)處理廢水，最大的功率密度為98mW/m2。