Комбинированная система микробного топливного элемента и биологического фильтра с периодической аэрацией для получения энергии самостоятельно.

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 18070 (2015) Цитировать эту статью

5148 Доступов

44 цитаты

7 Альтметрика

Подробности о метриках

Энергетическая самодостаточность является весьма желательной целью устойчивой очистки сточных вод. В данном случае комбинированная система микробного топливного элемента и биологического фильтра периодического аэрирования (MFC-IABF) была спроектирована и работала энергетически самодостаточно. В систему подавалась синтетическая сточная вода (ХПК = 1000 мг/л) в непрерывном режиме в течение более 3 месяцев при комнатной температуре (~25 °С). Выходное напряжение было увеличено до 5 ± 0,4 В с использованием схемы на основе конденсатора. MFC производил электроэнергию для питания насосных и аэрационных систем IABF, одновременно удаляя ХПК. ИАБФ, работающий в прерывистом режиме аэрации (скорость аэрации 1000 ± 80 мл/ч), удаляет остатки биогенных веществ и улучшает качество воды при ГРТ = 7,2 ч. Эта двухступенчатая комбинированная система позволила удалить 93,9% СКОД и 91,7% удаления TCOD (сточные воды SCOD = 61 мг л-1, TCOD = 82,8 мг л-1). Энергетический анализ показал, что установка MFC вырабатывает достаточно энергии (0,27 кВтч м-3) для поддержания насосной системы (0,014 кВтч м-3) и системы аэрации (0,22 кВтч м-3). Эти результаты продемонстрировали, что комбинированная система MFC-IABF может работать энергетически самодостаточно, что приводит к получению высококачественных сточных вод.

Энергетический кризис и загрязнение окружающей среды — две основные проблемы, стоящие сегодня перед миром. Микробный топливный элемент (МТЭ) — молодая, но многообещающая технология, которая поможет частично решить эти проблемы1. Он широко изучался в экзоэлектрогене2, электродных материалах3, конфигурациях реакторов4 и т.д. Основной функцией технологии MFC является очистка сточных вод. Однако вопросы, связанные с качеством сточных вод МФЦ, еще не решены в достаточной степени. Сам по себе MFC не может быть реальным способом удовлетворения строгих требований к качеству сточных вод, поэтому требуется еще один шаг, такой как интеграция MFC с мембранной технологией5 или традиционной технологией очистки6 для дальнейшей очистки очищенных сточных вод. Кроме того, неотъемлемой характеристикой МФЦ является прямое производство электроэнергии. Известно, что типичные системы MFC генерируют мощность на уровне милливатт (мВт), в зависимости от характеристик входящего потока, конфигурации реактора и рабочих параметров. Эта низкая и нестабильная выходная мощность была серьезным препятствием для предотвращения доступа MFC как возобновляемого источника энергии к энергосистеме, установленная мощность которой находится на уровне кВт или МВт при традиционном производстве электроэнергии. Таким образом, отсутствие должной отчетности за производство электроэнергии в последние годы привлекает все больше внимания.

Была предложена возможная стратегия, основанная на использовании генерируемой электроэнергии на месте для энергетически автономного процесса очистки сточных вод с помощью комбинированной системы на основе МФЦ7. Потенциальная энергия, запасаемая в различных сточных водах, варьируется в пределах 4,92 ~ 7,97 кВтч/кг ХПК–1, что превышает энергетические потребности их очистки8. Таким образом, было бы здорово, если бы система на основе MFC предлагала возможность генерировать достаточно энергии для автономного процесса очистки сточных вод. В прошлом нейтральный или положительный энергетический баланс теоретически был продемонстрирован в процессе очистки сточных вод во многих реакторах, таких как электрохимический мембранный биореактор9, мембранный биоэлектрохимический реактор10, двухступенчатый микробный топливный элемент и анаэробный мембранный биореактор с псевдоожиженным слоем11. Однако реальной эксплуатации энергосамообеспеченной комбинированной системы очистки сточных вод на базе МТЭ не ведется.

Для достижения реальной энергетической независимости процесса очистки сточных вод с помощью комбинированной системы на основе МТЭ необходимы эффективные методы повышения напряжения МТЭ. В прошлом для повышения напряжения MFC использовались разные подходы. Сюда входит последовательное соединение нескольких MFC или использование преобразователя постоянного тока12. Другой метод в приложении — последовательное соединение MFC, хотя было доказано, что он неэффективен для увеличения напряжения из-за реверса напряжения, что может привести к выходу из строя всей системы13. Было показано, что преобразователь постоянного тока эффективно повышает напряжение MFC, но он также имеет ограничения, связанные со сложной схемой и значительными потерями энергии в системе двойного повышения. Однако альтернативный подход с использованием схемы на основе конденсаторов оказался полезным для повышения электроэнергии14. При использовании этого метода электрическая энергия сначала собиралась в конденсаторах, а затем периодически распределялась с выходным высоким напряжением. Конденсаторы заряжались параллельно и разряжались последовательно с использованием нескольких MFC, что улучшало выходное напряжение при незначительных потерях энергии12.