正渗透微生物燃料电池反向溶质通量和膜污染控制技术研究进展

正渗透微生物燃料电池(OsMFC)采用正渗透(FO)膜代替传统微生物燃料电池(MFC)中的质子交换膜,可以在回收生物电的同时借助FO膜对原料液即阳极污水进行处理并提取高质量水,该技术受到广泛关注。与传统MFC相比,OsMFC在产电性能和出水水质方面均有提升。但是,FO膜的引入使得OsMFC系统反向溶质扩散和膜污染等问题十分突出,进而导致FO膜的水通量降低,OsMFC的产电和产水性能下降,限制了OsMFC的发展和应用。随着近年来材料和生物等领域的不断发展,上述问题可以通过合理的技术手段解决。从优化OsMFC性能出发,重点从反向溶质通量(RSF)控制和膜污染控制2个方面对近几年的研究进行分析和总结,主要包括通过膜材料的选择、汲取液的选择和OsMFC系统内产电对RSF进行抑制,以及通过膜污染形成机制、膜污染的技术调控、膜污染清洗、膜材料的改性和阳极微生物的筛选与培养对膜污染进行控制,并对未来OsMFC的RSF和膜污染的控制技术进行了展望。

正渗透微生物燃料电池处理垃圾渗滤液的产能和降污性能研究

采用正透膜为中间隔膜,构建双室正渗透微生物燃料电池,同时以垃圾渗透液为阳极液,考察了Os MFC处理垃圾渗滤液的产能和降污性能。结果表明,稳定运行后,Os MFC的表观内阻为236.750Ω,最大面积功率密度为0.442 W/m^2,其相对应的电流密度为1.663 A/m^2。MFC的表观内阻为247.625Ω,最大面积功率密度为0.406 W/m^2,其相对应的电流密度为1.594 A/m2,Os MFC与MFC相比具有更好的产电性能。Os MFC使p H更加稳定,从而能够有效地降低过电位。Os MFC的平均水通量为0.979 L/(m^2·h)。Os MFC对垃圾渗滤液中TOC、氨氮、TN和TP的去除率都达到70%以上。研究结果为垃圾渗滤液的处理和资源化提供技术参考。

正渗透微生物燃料电池处理污泥

采用正渗透-微生物燃料电池（OsMFC）浓缩消化剩余污泥,并将污泥化学能转化为清洁电能回收.结果表明：在外阻为470 Ω时,OsMFC输出电压为200～212mV,输出功率密度为218～244mW·m-3;由于正渗透（FO）膜浓缩作用,反应器运行结束时,污泥体积减少为原体积的41.3％,系统产水率为58.7％;在24 d运行过程中,阳极室内污泥总化学需氧量、混合液悬浮固体、混合液挥发性悬浮固体消解率分别为22.2％,32.8％和47.6％.

连续流正渗透微生物燃料电池的运行性能研究

针对微生物燃料电池(MFC)在处理污水时存在的出水水质差和产电低的问题,将正渗透(FO)膜代替MFC中的质子交换膜,开发了连续流的正渗透微生物燃料电池(OsMFCs).实验以OsMFCs为依托,考察长期处理城市污水时工艺的产电性能、污染物去除、FO膜运行及膜污染.结果表明,在39d的连续运行下,OsMFCs的电压稳定在500mV左右,功率密度为0.12 W/m^3,库伦效率为15.41%,具有较好的有机物和总磷去除效果,分别达到97.79%和98.52%.由于无机污染和生物污染,FO膜的通量从4.25L/(m^2·h)衰减到2L/(m^2·h)左右.与传统的MFC相比,OsMFCs在处理污水时有更好的产电性能和出水水质.

汲取液对正渗透微生物燃料电池处理垃圾渗滤液的影响

以垃圾渗滤液为阳极液,系统研究了汲取液种类和浓度对正渗透微生物燃料电池(OsMFC)工艺处理垃圾渗滤液性能的影响.结果表明,在汲取液为氯化钠的情况下,OsMFC工艺的最大功率密度可达0.44 W·m^(-2),表观内阻为236.75Ω,水通量为0.98 L·m^(-2)·h^(-1),TOC、NH_4^+-N、TN和TP的去除率分别达到89.51%、93.27%、94.01%和96.95%,均好于碳酸氢钠和碳酸氢铵作为汲取液时的处理效果.此外,氯化钠汲取液浓度越大,产电性能越好,表观内阻越小,水通量越大.产电性能随汲取液浓度的增大变化不大,在汲取液浓度为1 mol·L^(-1)的情况下,水通量和盐返混量的比值最大,处理效果最好.

pH对沉积型含油污泥微生物燃料电池的影响

以油田含油污泥为底物,构筑了不同pH的沉积型含油污泥微生物燃料电池(SMFC),分别采集不同pH(6.5,7.0,7.5,8.5,误差±0.2)的SMFC输出电压,并测定相应电池电动势、表观内阻、功率密度等,研究了pH值对SMFC体系产电及原油降解性能的影响,并采用气相-质谱联用仪(GC-MS)研究分析了弱碱环境下SMFC中正构烷烃组分的降解情况。结果表明,随着pH的增大,SMFC的输出电压、功率密度、电动势先增大后减小,表观内阻则先减小后增大,pH=7.5时,电压最高,功率密度和电动势最大,表观内阻最小;随着pH增大,含油污泥原油去除率先增大后减小,pH=7.5时,原油去除率最大。SMFC体系在弱碱性环境下(pH=7.5),其产电性能和原油降解性能最佳,主要是SMFC中的菌群可以提高对高碳数烷烃的降解速率,对偶数碳烷烃有较强的降解能力,而且具有降解类异戊二烯烷烃的能力。

电导率对厌氧产酸、正渗透与微生物燃料电池耦合工艺运行性能的影响

将厌氧产酸(AA)、正渗透技术(FO)与微生物燃料电池(MFC)进行耦合,构建了用于污水处理的AAFO-MFC耦合工艺,实现污水的同步产电和回用.由于电导率是AAFO-MFC运行的关键因素,考察了电导率对系统运行性能的影响.结果表明,较高的电导率可以降低MFC的内阻,提高产电,但是会加重FO膜污染,导致FO膜通量快速衰减,缩短运行时间.电导率对出水水质并没有显著影响,FO膜出水的总有机碳(TOC)和总磷(TP)浓度分别低于4 mg·L^(-1)和0.5 mg·L^(-1),但是FO膜对于氨氮(NH+4-N)的截留效果较差.控制反应器内电导率为7~8 m S·cm-1时,系统整体性能表现最佳,可以获得连续且相对稳定的输出电压,而且FO膜通量下降较为缓慢,运行周期达到29 d.

基于自然的绿色水生态环境保护方案

习近平总书记在参加今年首都义务植树时深刻指出:森林是水库、钱库、粮库、现在应该再加一个“碳库”。森林和草原对国家生态安全具有基础性、战略性作用,林草兴则生态兴。为此针对我国目前水生态环境状况,要提倡基于自然的水生态环境保护修复;用先进的技术手段进行污水资源化利用;加快森林、草原生态产品价值的转化;“以自然之道,养万物之生”实现中华民族永续发展。

PVA/TEOS/GA杂化阴离子交换膜的制备与性能

以正硅酸乙酯(TEOS)/戊二醛(GA)交联杂化改性聚乙烯醇(PVA)膜作为碱性直接乙醇燃料电池(ADEFC)的阴离子交换膜,对不同配比下的PVA/TEOS/GA杂化膜的溶胀率、含水率、乙醇渗透率及电导率进行了考察分析.结果表明:杂化膜的含水率、溶胀率和乙醇渗透率随SiO2含量的增加而减小;在室温条件下,SiO2质量分数为10%的杂化膜具有较小的溶胀率,为102%,乙醇渗透率为1.222×10-8cm2/s,电导率可达到6.883×10-3S/cm.

影响MFC产电能力及污水净化的非生物因素研究

以厌氧污泥接种模拟生活污水,构建双室无介体型微生物燃料电池(MFC).以输出功率密度、库仑效率和CODCr(化学需氧量)去除率为评价指标,采用正交设计考察4种非生物因素(即阴、阳极材料、底物和电子受体)对MFC产电及污水净化的影响.在此基础上进一步探讨阴极离子浓度对电能输出的影响.结果表明:对MFC产能及污水净化的影响因素顺序为:电子受体>阳极>阴极>底物,最优组合为碳毡-乳酸钠-不锈钢板-铁氰化钾+溶解氧;向阴极液中投加NaCl可使产电能力显著增强,最佳投加量为150mmol·L-1.同时,阴极室定期添加铁氰化钾可维持电流稳定.试验中,葡萄糖型、乳酸钠型以及混合型底物模拟污水的CODCr均得到有效去除,平均去除率达85.2%,显示了研究的MFC具有很强的产电和污水净化能力.

MFC-FO联合工艺对垃圾渗滤液的处理性能研究

以模拟垃圾渗滤液为阳极液,研究不同运行条件(开路、阴极无曝气及阴极闭路曝气)下微生物燃料电池(MFC)和正渗透膜(FO)对垃圾渗滤液的联合处理效果及产电状况,采用紫外光谱分析系统中污染物的变化情况。结果表明,阴极闭路曝气MFC-FO对模拟垃圾渗滤液的去除效果好于开路和无曝气的运行方式,TOC、COD、NH3-N和TN去除率分别达到95.45%、91.28%、71.77%和79.43%。闭路曝气MFC-FO进出水的紫外光谱表明,MFC处理后垃圾渗滤液中不饱和键被破坏,化合物稳定性变差,MFC-FO出水中基本无有机物特征峰,表明大部分污染物已被MFC-FO系统去除。