Semi-commercial testing of microbial fuel cells during concentrated industrial wastewater treatment with the subsequent generation of electric energy

Abstract

There was conducted a study of microbial fuel cells in the industrial waste water in the flow and periodic mode.

Full Text

Интенсивный рост потребления энергии связан с поиском новых альтернативных источников возобновляемой энергии. В последнее время стало активно развиваться научное направление исследований в области очистки стоков и возможности получения энергии из органических соединений, присутствующих в промышленных сточных водах. Подобным примером может служить конструкция метантенка, где в результате процесса анаэробного сбраживания образуется продукт работы анаэробной биомассы - биогаз. Однако данная технология имеет ряд недостатков, важнейшие из которых: узкий температурный диапазон, энергетические затраты на поддержание оптимальных условий для функционирования метаногенного консорциума. Разработка новой технологии очистки сточных вод с последующей генерацией электрической энергии является важным шагом как в экологическом, так и экономическом аспектах. Первые разработки микробных топливных элементов (МТЭ) появились еще в 70х годах. Однако эти конструкции не были выведены на промышленный уровень, все технологические и экспериментальные испытания проводились в основном на модельных субстратах. Также актуальным является вопрос поиска технологического режима работы МТЭ для улучшения как очистки стока, так и увеличения генерируемой электрической энергии. Принцип генерации электрической энергии в МТЭ основан на замене традиционного акцептора электронов с высоким окислительно-восстановительным потенциалом, таким как О2, на электрод. Таким образом, благодаря данной конструкции происходит экстракция электронов из микробной клетки во внешнюю цепь. В данной работе конструкция МТЭ испытывалась на промышленных сточных водах. В качестве анаэробного консорциума были взяты следующие образцы биомассы: 1. Ил очистных сооружений (ОС) г. Электросталь; 2. Природный ил озера Тамбукан; 3. Термофильный метаногенный ил ОС Курьяновской станции аэрации. Испытания проводились в температурном диапазоне от +10 до +25 ºC в условиях окружающей среды. В качестве субстрата был взят промышленный необработанный сток послеспиртового производства с содержанием мелассы. Общая нагрузка по органическим соединениям во всех циклах работы МТЭ в среднем составила 8,5 г О2/л, что значительно превышает ранее испытанные нагрузки. Для проверки электрогенной активности биомассы метаногенез в биореакторе полностью отсутствовал, значение pH поддерживалось на уровне 5,5. По результатам проведенных экспериментов наиболее эффективным является периодический режим культивации, т.к. эффективность очистки достигала 96% за 4 суток. В проточном режиме зафиксировано большее значение по остаточным органическим соединениям (ХПК, гО2/л), для утилизации которых потребуется дополнительная стадия очистки. Общая объемная мощность МТЭ составила 6 Вт/м3, плотность тока - 20 А/м3. Если на предприятии будут установлены несколько соединенных последовательно модулей МТЭ, то это позволит увеличить как эффективность очистки, так и генерируемую мощность. Нами рассмотрены экспериментальные работы на полупромышленных установках МТЭ объемом 100 л, работающих параллельно для оценки эффективности технологических режимов очистки стока с различной входной концентрацией по органическим соединениям (ХПК, гО2/л). Конструкция блоков МТЭ является идентичной. Субстратом служил сток послеспиртового производства - барда с примесью мелассы. Предварительно для инокуляции каждого блока МТЭ были проведены эксперименты по выявлению наиболее активной биомассы, разлагающей органические соединения в анаэробных условиях. Ежедневно осуществляли контроль за следующими электрическими и химическими параметрами: рН, ХПК, анодный и катодный потенциалы, напряжение в условиях разомкнутой цепи, сила тока в стационарных условиях. Результаты и обсуждения Для поиска оптимального технологического режима в рамках данного эксперимента проведены 3 цикла проточного и периодического режимов работы соответственно на каждой установке МТЭ при одинаковой нагрузке на биореактор по органическим соединениям (гХПК/л/сут). После каждого режима работы была рассчитана эффективность очистки, измерены электрические параметры для оценки общей мощности каждой установки. Все эксперименты проводились при температуре окружающей среды в диапазоне +15...+22 ºС. Периодический режим работы (установка МТЭ №1): Входное значение ХПК послеспиртовой барды в биореактор составило 10 г/л. В биореакторе поддерживались электрогенные условия. Значение pH соответствовало 5,5. За 4 суток 1 цикла периодического режима работы значение ХПК снизилось с 10 г/л до 0,8 г/л. Эффективность очистки составила 91%. В последующих двух циклах работы модуля 1 МТЭ эффективность очистки оставалась неизменной (89-92%) при сохранении исходных технологических параметров работы. Проточный режим работы (установка МТЭ №2): Среднее значение ХПК на входе в биореактор составило 9,7 г/л во всех трех циклах режима. По окончании 1 цикла режима значение ХПК снизилось с 9,7 г/л до 1,1 г/л за 4 суток режима работы. Эффективность очистки составила 86,5% в 1 цикле проточного режима работы. Для подтверждения результата на установке МТЭ №2 были отработаны еще 2 цикла проточного режима. Все входные параметры оставались неизменными. По окончании третьего цикла работы биореактора была рассчитана эффективность очистки, значение составило 90%. Расчетная скорость удаления органических загрязнений из субстрата оказалась на порядок выше в периодическом режиме культивирования. В таблице 1 представлены усредненные результаты электрических параметров МТЭ по итогам работы двух установок Таблица 1 Результаты электрических параметров МТЭ Параметр Ед. измерения Значение Напряжение разомкнутой цепи В 0,55 Ток короткого замыкания А 20 Максимальная плотность генерируемой мощности Вт/м3 19,24 Плотность тока на элементе при внешней нагрузке R=Rint А/м3 18,5 Генерируемая мощность при внешней нагрузке Вт/м3 6,462 Эффективность очистки % 89,5 Кулоновская эффективность % 65 В результате проведенных экспериментов не был решен вопрос борьбы с небиодеградабельной частью органических соединений, которая остается после отработанного цикла. Данную задачу целесообразно решать, устанавливая в качестве блока доочистки аэробный биореактор для доведения химических параметров очищенного стока до установленных норм ПДК.