【干貨】如何拯救耗電量如此之高的污水處理廠
2015年全國(guó)城鎮(zhèn)生活污水排放量為485.1億噸，大約是10年前的2倍;近10年來工業(yè)廢水排放量基本保持在200億噸。截至目前為止，我國(guó)城市污水的處理率平均達(dá)到80%左右。但是，我國(guó)城市污水處理廠的噸水耗能較高，能耗成為處理費(fèi)用的主要構(gòu)成，建設(shè)節(jié)能型污水處理廠十分必要。其處理工藝主要包括下面的這些流程：
上述的兩個(gè)污水處理廠所采用的工藝為活性污泥法，是處理城市污水最廣泛使用的方法。這個(gè)方法技術(shù)相對(duì)成熟，運(yùn)行效率高，但是從上圖也可以看出，活性污泥法的環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，影響其工作效率的因素也很多。更重要的是，曝氣需要大量的能耗，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年用于污水處理的耗電量已經(jīng)占到全國(guó)總發(fā)電量的1%。隨著能源短缺的日益加劇，節(jié)能降耗已成為污水處理行業(yè)亟需解決的現(xiàn)實(shí)問題。
微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)可以將污水作為底物進(jìn)行發(fā)電，將其中蘊(yùn)含的能量回收，可解決污水處理廠的電耗問題。MFC既可用于處理廢水有機(jī)物，也可用于廢水脫氮除硫，甚至可用于處理難降解有毒化合物。
MFC技術(shù)利用了微生物的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，即:微生物降解有機(jī)物,產(chǎn)生電子并通過一組呼吸酶在細(xì)胞內(nèi)傳遞，并以ATP形式為細(xì)胞提供能量。電子進(jìn)而被釋放給最終電子受體(terminal electron acceptor ，TEA)， TEA得到電子后，自身被還原。在最初的十億年里，地球上的生命體在完全不含氧氣的大氣中進(jìn)化，細(xì)菌進(jìn)化出利用許多不同類型的電子受體的能力，其中一類具有能將電子傳遞到細(xì)胞外并與外界電子受體接合的厭氧菌，則可以用于構(gòu)建MFC。
在常規(guī)MFC陽極室內(nèi)，厭氧產(chǎn)電菌通過代謝作用將作為電子供體的有機(jī)污染物氧化，釋放電子和質(zhì)子，產(chǎn)生的電子通過合適的電子傳遞介體傳遞到陽極，再經(jīng)過外電路轉(zhuǎn)移到陰極，釋放攜帶的能量，由此產(chǎn)生電流;質(zhì)子經(jīng)過質(zhì)子交換膜轉(zhuǎn)移到陰極，在陰極室內(nèi)，電子、質(zhì)子和電子受體發(fā)生還原反應(yīng)。微生物燃料電池可以在常溫常壓下進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換。如果利用生物技術(shù)使污水能夠發(fā)電，對(duì)其加以資源化利用，將節(jié)約大量的能耗，對(duì)于節(jié)能減排具有重要意義。
MFC技術(shù)的應(yīng)用前景正在不斷拓展中。例如,將MFC陽極插入海底(河底、湖底)沉積物中，陰極置于臨近海水中，則可收集到天然的、由微生物代謝產(chǎn)生的海底電流，可為各類海洋監(jiān)測(cè)儀器提供電源。此外,MFC技術(shù)還可用于生物修復(fù)，例如在有高濃度有機(jī)物污染的地點(diǎn)(如石油污染)，可置入MFC陽極完成對(duì)有機(jī)物的氧化。
MFC用于廢水處理的優(yōu)點(diǎn)有:
① 產(chǎn)生有用的產(chǎn)物——電能。其產(chǎn)生的電流取決于廢水濃度和庫侖效率;
② 無需曝氣。不需曝氣的空氣陰極MFC,在陰極處只需要被動(dòng)的氧氣傳遞;
③ 減少了固體的產(chǎn)生。MFC技術(shù)是一個(gè)厭氧工藝，因此，相對(duì)于好氧體系，產(chǎn)生細(xì)菌的生物量將減少。固體處理是昂貴的，應(yīng)用MFC技術(shù)可充分減少固體的產(chǎn)生;
④ 潛在的臭味控制。省略了好氧體系中所需與空氣接觸的較大的表面積和大量氣流從曝氣池底部流出的過程，均可大大降低向周圍環(huán)境釋放的臭味的可能性。
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