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.

某垃圾填埋场渗滤液反渗透浓缩液的MFC处理研究

垃圾渗滤液反渗透浓缩液含盐、高浓度有机物和营养物质。该文开展单室空气阴极式的微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)处理广西某垃圾填埋场不同盐度的垃圾渗滤液反渗透浓缩液的处理研究。结果表明,盐度越低,处理效果越好,当以低盐度浓缩液混合乙酸钠作为处理对象时,效果最佳,浓缩液中COD、NH_(3)-N和TN的去除率分别达到90.91%、46.54%、64.89%。MFC处理垃圾渗滤液反渗透浓缩液为高效低能耗处理提供新途径。

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。