剩余污泥燃料電池處理含鉻廢水的效能及機(jī)理

周秀秀,顧早立,郝小旋,張 姣,張志強(qiáng)*,夏四清(.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,污染控制與資源化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 0009；.上海城市管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院,土木工程與交通學(xué)院,上海 0043)

剩余污泥燃料電池處理含鉻廢水的效能及機(jī)理

周秀秀1,顧早立1,郝小旋1,張 姣2,張志強(qiáng)1*,夏四清1(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,污染控制與資源化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092；2.上海城市管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院,土木工程與交通學(xué)院,上海 200432)

采用剩余污泥為陽(yáng)極底物,六價(jià)鉻為陰極電子受體,構(gòu)建雙室微生物燃料電池(MFC).MFC啟動(dòng)成功后,考察陽(yáng)極室污泥初始濃度和陰極室六價(jià)鉻初始濃度對(duì)MFC產(chǎn)電性能及六價(jià)鉻還原速率的影響.較高的污泥濃度(8～12g/L)對(duì)六價(jià)鉻的還原速率影響均較小,且去除率均可達(dá)99%以上.污泥濃度為10g/L的MFC具有較高的產(chǎn)電性能,內(nèi)阻為108?,最大功率密度輸出為3621mW/m3.陰極室較高的Cr(VI)初始濃度可維持較長(zhǎng)時(shí)間的高輸出電壓,但對(duì)陽(yáng)極污泥降解并無(wú)明顯影響.XPS測(cè)試結(jié)果表明,陰極Cr(VI)的還原產(chǎn)物為Cr(III),因電場(chǎng)作用被吸附在電極片上,使得陰極溶液中的總鉻濃度降低.研究表明,剩余污泥為底物的微生物燃料電池可以在產(chǎn)電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)剩余污泥的資源化及電鍍廢水的無(wú)害化.

微生物燃料電池；雙室；剩余污泥；六價(jià)鉻

微生物燃料電池(MFC)是一種以微生物為催化劑,將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置[1].由于剩余污泥中含有豐富的有機(jī)物且產(chǎn)生量大,近年來(lái)越來(lái)越多的研究者將剩余污泥作為陽(yáng)極底物,通過(guò) MFC技術(shù)實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定化減量化的同時(shí)回收電能[2-7].除了利用 MFC陽(yáng)極的氧化作用處理有機(jī)物外,還有許多研究者利用MFC陰極的還原作用實(shí)現(xiàn)污水重金屬污染物的去除,如六價(jià)鉻[8-12]、釩[13]、銅[14]等.將污水、污泥用于 MFC產(chǎn)電同步實(shí)現(xiàn)廢物的處理,是一種資源化利用廢物的新方法,增強(qiáng)了 MFC的環(huán)境效益.

在關(guān)于利用 MFC處理含鉻廢水的研究中,大部分陽(yáng)極底物為簡(jiǎn)單可利用的純物質(zhì),且需要添加緩沖鹽防止陰極酸性條件影響陽(yáng)極微生物.本研究基于該背景下提出以剩余污泥為陽(yáng)極底物,在不添加緩沖鹽情況下處理含鉻廢水的微生物燃料電池體系,資源化利用剩余污泥產(chǎn)電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)含鉻廢水的處理,并通過(guò)調(diào)節(jié)陽(yáng)極污泥和陰極六價(jià)鉻的初始濃度提高M(jìn)FC對(duì)Cr(VI)的去除效果及產(chǎn)電性能.

1 材料與方法

1.1 剩余污泥

剩余污泥取自上海市虹口區(qū)某污水處理廠二沉池,其濃度(用SS表示)為4～5g/L,TCOD值為4800～5800mg/L,pH=6.85～7.13.在剩余污泥使用前,或先經(jīng)過(guò)靜置,泥水分層之后傾出上清液,實(shí)現(xiàn)濃縮從而獲得高濃度剩余污泥;或?qū)A出上清液加入到原污泥中,實(shí)現(xiàn)稀釋從而獲得低濃度污泥;再用氮?dú)鈱?duì)污泥曝氣約 10min,以吹脫其中的溶解氧.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用雙室 MFC反應(yīng)器,由陽(yáng)極室和陰極室兩部分構(gòu)成.陰陽(yáng)極室均為長(zhǎng)方體(10cm× 5cm×7cm),單室有效容積為 330mL.反應(yīng)器由有機(jī)玻璃板制成,電極材料為碳布(HCP331N,上海河森),陰陽(yáng)極兩室由質(zhì)子交換膜(Nafion 117, Dupont公司)分隔.MFC反應(yīng)器陽(yáng)極室內(nèi)插入甘汞電極(上海雷磁)作為參比電極(+0.241V vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極,SHE).為保證陽(yáng)極室內(nèi)的污泥均勻分布,整個(gè)反應(yīng)器置于磁力攪拌裝置(上海國(guó)華)上.實(shí)驗(yàn)中采用 KEITHLEY 2700數(shù)據(jù)采集器獲取MFC輸出電壓及陽(yáng)極電位,外電路負(fù)載為直流電阻箱(上海雙特,ZX21),無(wú)特殊說(shuō)明,外電阻均為1000?.

1.3 MFC啟動(dòng)與運(yùn)行

為啟動(dòng)MFC,以厭氧污泥作為陽(yáng)極接種污泥,并以0.05mol/L的K3Fe(CN)6溶液及磷酸鹽緩沖液(pH=7.0)作為陰極液.待陽(yáng)極產(chǎn)電菌富集成功后,將剩余污泥加入至陽(yáng)極室,并將陰極液換為模擬六價(jià)鉻廢水(無(wú)特殊說(shuō)明,均為100mg/L Cr(VI)溶液).根據(jù)相關(guān)研究[11,15-16],六價(jià)鉻在酸性條件下還原效果較好,因此本實(shí)驗(yàn)中采用 0.1mol/ LHCl調(diào)節(jié)陰極Cr(VI)溶液初始pH至2.0.

MFC啟動(dòng)成功后,分別考察污泥濃度和Cr(VI)濃度對(duì)其產(chǎn)電性能和六價(jià)鉻還原速率的影響.污泥濃度影響的運(yùn)行條件:將剩余污泥稀釋或濃縮至一系列不同濃度(4,6,8,10,12g/L),分5個(gè)周期先后投加至 MFC的陽(yáng)極室中,不添加緩沖鹽;陰極均投加100mg/LCr(VI)溶液(pH=2).Cr(VI)濃度影響的運(yùn)行條件:配制一系列不同濃度Cr(VI)溶液(50,100,150,200mg/L),分 4個(gè)周期先后投加陰極室中,并用HCl調(diào)節(jié)陰極初始pH=2;將濃度約10g/L的污泥投加至陽(yáng)極室中.MFC外接電阻固定為 1000?,每個(gè)周期以更換陰陽(yáng)極底物為開(kāi)始,至陰極中 Cr(VI)濃度不再發(fā)生變化結(jié)束,運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)MFC輸出電壓、陽(yáng)極室污泥TCOD值和陰極室Cr(VI)濃度等參數(shù).

1.4 分析方法

實(shí)驗(yàn)中采用穩(wěn)態(tài)放電法測(cè)定MFC的表觀內(nèi)阻,即測(cè)量 MFC在不同外阻條件下,穩(wěn)定放電時(shí)的外電阻電壓,通過(guò)I=U/R得到電流,進(jìn)而得到極化曲線.MFC的體積功率密度P(mW/m3)可由式(1)計(jì)算得到:

式中:U為數(shù)據(jù)采集器記錄的電壓值,V;R為外電路電阻,?;V為陽(yáng)極室的有效體積,m3.

MFC產(chǎn)電總量Q可由式(2)計(jì)算得到:

式中:I為MFC的輸出電流值,A;T為MFC運(yùn)行一周期的時(shí)間,s.

陽(yáng)極庫(kù)倫效率CE可由式(3)計(jì)算得到:

式中:M 為氧氣分子量,32g/mol;F為法拉第常數(shù)96487C/mol;n為1mol氧氣得失電子數(shù)(n=4);V為陽(yáng)極室有效體積,L;ΔCCOD為COD在T內(nèi)的濃度變化量,mg/L.

為考察陽(yáng)極室中污泥降解情況,定期用取樣針抽取陽(yáng)極污泥測(cè)定其TCOD值,TCOD的測(cè)定采用快速消解分光光度法 HJ/T 399-2007[17].陰極液中 Cr(VI)的測(cè)定采用二苯碳酰二肼分光光度法.陰極還原產(chǎn)物的分析采用X射線光電子能譜分析儀(PHI 5000C ESCA System).

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥初始濃度對(duì)MFC體系性能的影響

由于陰極室pH值比陽(yáng)極室pH值低,質(zhì)子會(huì)在濃度差的作用下由陰極室遷移至陽(yáng)極室,導(dǎo)致陽(yáng)極室 pH值有所下降.陽(yáng)極室內(nèi)并未添加緩沖鹽,故體系的緩沖能力很大程度上取決于所添加污泥的濃度.如圖 1(a)所示,在污泥濃度為 6,8, 10,12g/L的體系中,陽(yáng)極pH值的變化情況無(wú)明顯差異,從最初pH=7左右下降至pH=6左右.與此對(duì)應(yīng)的4個(gè)體系的陽(yáng)極電位[圖1(b)]在各自反應(yīng)周期內(nèi)也保持在-0.15V(vs SHE)左右,說(shuō)明陽(yáng)極微生物活性處在較穩(wěn)定的狀態(tài).由于污泥中含有大量有機(jī)質(zhì),可提供足夠的電子,對(duì)于產(chǎn)電菌而言底物濃度雖不同,卻足以長(zhǎng)時(shí)間維持在一個(gè)飽和過(guò)剩的水平,故底物濃度對(duì)于以污泥為燃料的MFC體系來(lái)說(shuō)并非限制性因素.而在污泥濃度為4g/L的體系中,陽(yáng)極pH值呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì),由初始 pH=7.02降至最終 pH=4.23.表明該污泥濃度下的陽(yáng)極體系緩沖能力很弱,陰極中的H+通過(guò)質(zhì)子交換膜進(jìn)入陽(yáng)極體系中,使得陽(yáng)極 pH值下降.過(guò)酸的陽(yáng)極反應(yīng)條件會(huì)抑制產(chǎn)電菌活性[18],系統(tǒng)逐步被破壞,使得陽(yáng)極電位急劇上升.

如圖 2所示,在污泥濃度為 4g/L的體系中,MFC的表觀內(nèi)阻最大,為717?,其最大功率密度輸出僅為1362mW/m3.當(dāng)污泥濃度提高至6g/L時(shí),內(nèi)阻僅有小幅下降,而功率密度也僅是小幅上升,這是由于在完成了 4g/L污泥濃度的實(shí)驗(yàn)后,陽(yáng)極產(chǎn)電菌受損較嚴(yán)重,而在進(jìn)行 6g/L污泥濃度的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,其產(chǎn)電活性尚未完全恢復(fù),導(dǎo)致體系產(chǎn)電性能提升不明顯.在污泥濃度為 10g/L的體系中,MFC的表觀內(nèi)阻最小,為108?,其最大功率密度輸出高達(dá) 3621mW/m3.當(dāng)污泥濃度進(jìn)一步提高至12g/L時(shí),MFC的內(nèi)阻增加至158?,且最大功率密度輸出降至2671mW/m3.MFC的表觀內(nèi)阻主要由活化電阻、歐姆電阻以及傳質(zhì)電阻三部分組成[19].當(dāng)陽(yáng)極室污泥濃度過(guò)低時(shí),緩沖能力較差導(dǎo)致陽(yáng)極pH值下降較快,低pH值環(huán)境會(huì)降低微生物傳遞電子的能力,造成過(guò)高的活化過(guò)電勢(shì)從而影響產(chǎn)電性能;而當(dāng)污泥濃度過(guò)高時(shí),雖然體系的緩沖能力較強(qiáng),但底物的擴(kuò)散會(huì)受到過(guò)厚生物膜的阻礙,導(dǎo)致傳質(zhì)阻力的增大從而影響產(chǎn)電性能.本文中的MFC產(chǎn)電性能較低,最高僅有110mW/m2左右,相比其他研究結(jié)果[4,11]的 160mW/m2要偏低,可能是電子受體不一樣造成的結(jié)果.

圖1 不同污泥初始濃度下MFC陽(yáng)極pH值及陽(yáng)極電位Fig.1 pH values and anode potentials (vs SHE) of MFCs under different initial sludge conditions

圖2 不同污泥初始濃度下MFC的內(nèi)阻及最大輸出功率密度Fig.2 Internal resistances and maximum power densities of MFCs under different initial sludge conditions

圖3 不同污泥初始濃度下MFC陰極六價(jià)鉻的濃度變化Fig.3 Degradation of Cr (VI) in MFCs under different initial sludge concentration conditions

國(guó)內(nèi)外關(guān)于利用MFC處理含鉻廢水的研究中[8-9],通常需要在陽(yáng)極添加緩沖鹽防止陰陽(yáng)極間的質(zhì)子濃差對(duì)系統(tǒng)造成損害.本研究在不添加任何緩沖鹽的情況下,考察利用剩余污泥的緩沖能力實(shí)現(xiàn)陰極酸性條件下 Cr(VI)的還原.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在污泥濃度較高(8～12g/L)的條件下,陰極Cr(VI)的還原速率幾乎相同,如圖3所示.污泥濃度為 8,10,12g/L的體系中,在相同的 Cr(VI)初始濃度條件下,經(jīng)60h后,陰極中Cr(VI)濃度已經(jīng)接近0mg/L,比污泥濃度為4,6g/L體系的還原速率快.在污泥濃度為6g/L的體系中,反應(yīng)至第84h實(shí)現(xiàn)Cr(VI)的完全去除.而在污泥濃度為4g/L的體系中,反應(yīng)后期Cr(VI)濃度降至10mg/L后則無(wú)明顯變化.一方面是由于污泥濃度為4g/L的體系緩沖能力較差,過(guò)多H+向陽(yáng)極遷移影響陰極室還原條件;另一方面由于陽(yáng)極微生物受到低 pH條件的影響,系統(tǒng)逐步被破壞,使得反應(yīng)后期陰極Cr(VI)濃度變化較小.故在無(wú)添加緩沖鹽的情況下,需保證陽(yáng)極室中的污泥濃度,使體系具備一定的緩沖能力以維持良好的電子傳遞性能,從結(jié)果看來(lái),較優(yōu)污泥濃度可控制在10g/L左右.

2.2 陰極 Cr(VI)初始濃度對(duì) MFC體系性能的影響

不同 Cr(VI)初始濃度下 MFC輸出電壓和Cr(VI)濃度隨時(shí)間的變化情況如圖 4所示.當(dāng)陽(yáng)極污泥濃度為10g/L時(shí),不同陰極Cr(VI)初始濃度的 MFC體系中陽(yáng)極電位無(wú)明顯差異,陽(yáng)極電位在反應(yīng)周期內(nèi)均維持在-0.15V(vs SHE)左右.由電化學(xué)理論可知 Ecell=Ecathode-Eanode,在陽(yáng)極電位 Eanode相同的情況下,Ecell的大小由陰極電位Ecathode決定.而在閉合回路中,陰極的實(shí)際電位為:ηohm+ ηc),其中 Ecathode為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的陰極電位; ηoct、ηohm和ηc分別為陰極的活化損失、歐姆損失和傳質(zhì)損失.即輸出電壓Ecell受Cr(VI)濃度、Cr(III)濃度、pH值以及3種陰極電位損失的共同影響.從圖 4可以看到,在 Cr(VI)初始濃度為50mg/L的體系中,輸出電壓僅有0.6V,比其他3個(gè)濃度下的輸出電壓低,且輸出電壓隨著產(chǎn)電過(guò)程中Cr(VI)濃度的下降而下降.在Cr(VI)初始濃度為100,150, 200mg/L的體系中,經(jīng)穩(wěn)定后體系的輸出電壓均在0.7V左右,無(wú)明顯差異,但輸出電壓的維持時(shí)間隨Cr(VI)初始濃度的提高而延長(zhǎng).

圖4 不同Cr(VI)初始濃度下MFC電壓及六價(jià)鉻濃度變化Fig.4 Output voltages and degradation of Cr(VI) in MFCs under different initial Cr(VI) concentration conditions

實(shí)驗(yàn)還考察了不同Cr(VI)初始濃度對(duì)MFC陽(yáng)極污泥降解的影響.從圖 5可以看到,陰極中Cr(VI)初始濃度的不同,對(duì)陽(yáng)極污泥的降解并沒(méi)有明顯的影響.

陽(yáng)極室污泥的降解是一個(gè)較復(fù)雜的過(guò)程,在開(kāi)路情況下,陽(yáng)極系統(tǒng)可簡(jiǎn)單視為厭氧消化系統(tǒng).但在閉合回路中,陽(yáng)極產(chǎn)生的電子通過(guò)外電路傳遞至陰極參與還原反應(yīng),從熱力學(xué)角度上分析,陰極反應(yīng)對(duì)電子的需求將促進(jìn)陽(yáng)極氧化反應(yīng)的進(jìn)行,理論上來(lái)說(shuō)陰極六價(jià)鉻還原反應(yīng)的增強(qiáng)將會(huì)對(duì)陽(yáng)極污泥的降解產(chǎn)生影響.但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,陽(yáng)極污泥 TCOD的變化并沒(méi)有明顯差異.10g/L的污泥濃度對(duì)于陽(yáng)極微生物而言是過(guò)飽和的底物水平,其厭氧消化產(chǎn)生的電子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陰極還原反應(yīng)所需的電子數(shù),但產(chǎn)電菌傳遞電子的能力是一定的,僅傳遞陽(yáng)極中小部分電子至陰極參與反應(yīng),故在該條件下陰極反應(yīng)對(duì)陽(yáng)極污泥的降解并沒(méi)有起到促進(jìn)作用.與其他處理含鉻廢水的MFC相比,本研究中MFC對(duì)Cr(VI)的去除效度更快.例如在 Wang等[11]的研究中,100mg/L的Cr(VI)需要150h才能完全去除,而本研究中則可在100h內(nèi)實(shí)現(xiàn).

圖5 不同Cr(VI)初始濃度下MFC陽(yáng)極污泥TCOD的變化Fig.5 TCOD removal in anode of MFCs under different initial Cr(VI) concentration conditions

2.3 產(chǎn)物及機(jī)理分析

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明陽(yáng)極污泥初始濃度和陰極六價(jià)鉻初始濃度對(duì)MFC的產(chǎn)電性能以及六價(jià)鉻的去除能力都有一定的影響.

為深入考察 MFC中的電子轉(zhuǎn)移情況,對(duì)不同初始污泥濃度和不同初始六價(jià)鉻濃度下的MFC體系進(jìn)行反應(yīng)周期內(nèi)的電子核算.

由表1可見(jiàn)MFC體系的陽(yáng)極庫(kù)倫效率均很低,最高僅有 2%.其原因可能是陽(yáng)極發(fā)生了較為復(fù)雜的污泥消化過(guò)程,大量的電子被微生物利用,僅有極少部分電子傳遞到電極并通過(guò)外電路形成電流.而Cr(VI)作為陰極的單一電子受體,通過(guò)外電路到達(dá)陰極的電子均能被其利用.通過(guò)外電路的電子數(shù)與 Cr(VI)還原成 Cr(III)所需電子數(shù)相當(dāng),這從另一方面也證明了六價(jià)鉻通過(guò)陰極反應(yīng)生成三價(jià)鉻的合理性.

表1 MFC系統(tǒng)的電子產(chǎn)量及庫(kù)倫效率Table 1 Electron yields and coulombic efficiencies in the MFCs

在如上所述的 MFC體系中,陰極室中總鉻濃度變化情況如圖6所示.陰極室中,當(dāng)Cr(VI)濃度降至近乎為零時(shí)[去除率>99%,對(duì)應(yīng)圖4(b)],陰極溶液中總鉻的濃度降至10mg/L.同時(shí)反應(yīng)末期在陰極的碳布片上均可觀察到細(xì)小的褐色附著物,表明 Cr(VI)的反應(yīng)產(chǎn)物大部分以沉淀形式吸附在陰極電極上,小部分以離子態(tài)存在于溶液中.MFC去除Cr(VI)結(jié)束時(shí),陰極電解液的pH值為2.3～2.4,理論上在該酸性條件下,Cr(III)無(wú)法形成氫氧化物沉淀,Cr(III)沉積在電極上可能是由于電場(chǎng)力作用.

為分析陰極表面的附著物的組成,實(shí)驗(yàn)采用X射線光電子能譜技術(shù)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)試分析.測(cè)試前先將碳布進(jìn)行冷凍干燥,干燥后刮下碳布上的附著物樣品,然后在0～1200(1000)eV進(jìn)行全譜掃描(通能為 93.9eV),而后采集各元素相關(guān)軌道的窄掃描譜(通能為 23.5eV或 46.95eV),并采用Auger Scan 3.21軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,以 C1s＝284.6 eV為基準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)合能校正,分峰擬合結(jié)果如圖7所示.根據(jù)出峰位置結(jié)合能(577.6eV),對(duì)照XPS譜圖庫(kù)可查出對(duì)應(yīng)的物質(zhì)為 CrCl3.表明Cr(VI)在陰極發(fā)生還原反應(yīng)最終生成Cr(III).

圖6 不同Cr(VI)初始濃度下陰極總鉻濃度變化Fig.6 Total Cr removal in cathode of MFCs under different initial Cr (VI) concentration conditions

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及 MFC的工作原理,可將本研究中MFC陰極還原Cr(VI)的機(jī)制描述如下:首先,陽(yáng)極室中微生物利用污泥中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行呼吸作用并釋放電子,電子通過(guò)外電路傳遞到達(dá)陰極碳布,并與陰極溶液中的Cr2O72-發(fā)生如下反應(yīng):Cr2O72-+14H++6e=2Cr3++7H2O,反應(yīng)生成的Cr3+在電場(chǎng)力的作用下被吸附在陰極碳布表面.整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中,陽(yáng)極中污泥TCOD隨時(shí)間變小,陰極中 Cr(VI)也被還原成 Cr(III),污泥資源化的同時(shí)完成了含鉻廢水的處理.

圖7 陰極電極表面產(chǎn)物的XPS譜圖(初始濃度為100mg/L的Cr(VI)溶液,初始pH=2,反應(yīng)時(shí)間為90h)Fig.7 XPS analysis for the surface of cathode (100mg/L Cr (VI), pH=2, reacting time of 90h)

3 結(jié)論

3.1 以剩余污泥為底物的微生物燃料電池,在處理含 Cr(VI)廢水時(shí)可通過(guò)控制陰陽(yáng)極底物的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的輸出電壓.由于陰極 Cr(VI)的還原需在酸性條件下進(jìn)行,故污泥濃度的大小會(huì)影響到陽(yáng)極體系的緩沖能力進(jìn)而影響產(chǎn)電菌的活性.陽(yáng)極污泥濃度控制在10g/L左右時(shí),MFC體系具有較高的產(chǎn)電性能(最大功率密度為3621mW/m3),并可實(shí)現(xiàn)較快的六價(jià)鉻還原速率(60h后可實(shí)現(xiàn)100mg/LCr(VI)的完全去除).在陽(yáng)極污泥濃度一定的條件下,陰極 Cr(VI)初始濃度的大小對(duì)輸出電壓有一定影響,高初始濃度能維持較長(zhǎng)時(shí)間的高輸出電壓,而陽(yáng)極污泥的降解與Cr(VI)初始濃度無(wú)明顯聯(lián)系.

3.2 陰極碳布附著物的成分分析表明,微生物燃料電池可將廢水中的 Cr(VI)還原成 Cr(III).在酸性條件下(pH=2),作為電子受體的Cr2O72-發(fā)生反 應(yīng) :Cr2O72-+14H++6e=2Cr3++7H2O,生 成 的Cr(III)由于電場(chǎng)作用被吸附在電極上,實(shí)現(xiàn)Cr(VI)和總鉻的同步去除.

3.3 以剩余污泥為底物的微生物燃料電池能維持高濃度水平的陽(yáng)極底物,保證 MFC體系長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,用于處理 Cr(VI)廢水可獲得較高的輸出電壓和功率密度.10g/L的污泥在體系中經(jīng)歷140h后,其TCOD值仍處在5000mg/L左右,說(shuō)明污泥中還有大量可利用的有機(jī)質(zhì).從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)考慮,若通過(guò)連續(xù)流裝置控制停留時(shí)間來(lái)保持陰極室中 Cr(VI)的濃度及 pH值,可實(shí)現(xiàn)電能的長(zhǎng)期穩(wěn)定輸出.

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《中國(guó)環(huán)境科學(xué)》獲評(píng)“2012中國(guó)最具國(guó)際影響力學(xué)術(shù)期刊”

2012年12 月,《中國(guó)環(huán)境科學(xué)》被評(píng)為“2012中國(guó)最具國(guó)際影響力學(xué)術(shù)期刊”.

“中國(guó)最具國(guó)際影響力學(xué)術(shù)期刊”是中國(guó)科學(xué)文獻(xiàn)計(jì)量研究中心、清華大學(xué)圖書(shū)館依據(jù)《CAJ國(guó)際引證報(bào)告》,按2011年度中國(guó)學(xué)術(shù)期刊被SCI期刊、SSCI期刊引用的總被引頻次排序并經(jīng)40多位期刊界專家審議,遴選出的TOP5%期刊.獲評(píng)“中國(guó)最具國(guó)際影響力學(xué)術(shù)期刊”的科技類期刊共156種.統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,從定量分析的角度看,“中國(guó)最具國(guó)際影響力學(xué)術(shù)期刊”的國(guó)際影響力已經(jīng)達(dá)到國(guó)際中等以上水平,跨入了國(guó)際品牌學(xué)術(shù)期刊行列.

《中國(guó)環(huán)境科學(xué)》編輯部

Efficacy and mechanism of microbial fuel cell treating Cr(VI)-containing wastewater with excess sludge as substrate.

ZHOU Xiu-xiu1, GU Zao-li1, HAO Xiao-xuan1, ZHANG Jiao2, ZHANG Zhi-qiang1,*, XIA Si-qing1(1.State

Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.School of Civil Engineering and Transportation, Shanghai Technical College of Urban Management, Shanghai 200432, China). China Environmental Science, 2014,34(9)：2245～2251

The double-chamber microbial fuel cell systems (MFCs) were constructed with excess sludge as anodic substrate and potassium dichromate as catholyte. The effects of the initial concentrations of both excess sludge and Cr (VI) on MFC systems were investigated. According to the results, the MFC systems with sludge concentrations of 8～12 g/L presented almost the same degradation rates of Cr (VI), and a high removal efficiency of 99% was achieved. When the initial concentration of excess sludge was 10 g/L, the MFC system arrived at the best performance with an inner resistance of 108 ? and maximum power density of 3621 mW/m3. A higher initial concentration of Cr (VI) could keep a longer period of stable high output voltage, but had no obvious effect on the sludge degradation in the anode chamber. Furthermore, the reduction products adhered on the surface of carbon cloth in the cathode chamber were demonstrated to be Cr (III), which led to decrease of total chromium in cathode solution. The MFC system with fuel recovery from excess sludge could be a promising technology, which is able to simultaneously address energy issues and environmental concerns associated with excess sludge and electroplating wastewater.

microbial fuel cell (MFC)；double-chamber；excess sludge；Cr (VI)

X703.1

A

1000-6923(2014)09-2245-07

周秀秀(1989-),女,廣東揭陽(yáng)人,同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,主要研究方向?yàn)槲鬯幚砑百Y源化.發(fā)表論文1篇.

2014-01-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2013BAD21B03);國(guó)家留學(xué)基金資助項(xiàng)目;中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

* 責(zé)任作者, 副教授, zhiqiang@#edu.cn