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能源短缺和环境危机是当今社会的两大难题。微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)技术,可在降解剩余污泥有机物的同时回收电能,是一种潜在价值巨大的新兴技术。针对北方寒冷地区冬季低温漫长的气候条件,可利用自然条件对污泥进行冻结融溶预处理。本文利用寒冷地区冬季的气候特点,采用冻结融溶-微生物燃料电池处理剩余污泥同步回收电能,并对其运行效果进行分析。本文以冻结融溶作为污泥预处理方式,采用冻结融溶-微生物燃料电池处理剩余污泥,分别考察了以铁氰化钾阴极和生物阴极冻结融溶-微生物燃料电池及双室生物阴极和三室生物阴极冻结融溶-微生物燃料电池对对剩余污泥有机物降解效果及产电性能。通过对优选后的工艺各阶段运行前后阳极剩余污泥有机组分特征的分析比对,揭示剩余污泥经冻结融溶-微生物燃料电池处理过程中的有机组分变化情况。对剩余污泥的冻结融溶处理研究表明,冻结融溶处理可以使污泥破解,有机物溶出,实现有机物从固相到液相的转化。以-20o C条件下冻结融溶的污泥为例,冷冻0~3 h,融化后溶解性化学需氧量(Soluble chemical oxygen demand,SCOD)含量变化并不明显,而冷冻时间超过3 h后,融化后SCOD含量急剧增加,说明只有当污泥进入固化阶段后,有机物溶出效果才变得明显;冷冻过程中冷冻阶段的环境温度相对较高(本实验-5o C)而固化阶段的环境温度相对较低(本实验-20o C),且固化时间越长(本实验不超过42h),融化后有机物溶出效果越好。根据实验结果确定最佳的冻结融溶处理方法,剩余污泥样品在-5o C条件下冷冻6 h后,再转移至-20o C下继续冷冻42h,共计冷冻48 h,然后放置在室温条件下(20o C)融化12 h,对污泥泥质分析结果表明:SCOD、溶解性多糖以及溶解性蛋白质含量相比原泥分别增加了2.14倍、1.33倍以及2.65倍,p H值降低,碱度升高,并伴随着氮素的释放。对三组冻结融溶-微生物燃料电池处理污泥时有机物降解的研究表明,冻结融溶-铁氰化钾MFC产电阶段在运行6 d时,SCOD达到峰值,运行20d时,阳极污泥总化学需氧量(Total chemical oxygen demand,TCOD)的去除率为69.2%;冻结融溶-双室生物阴极MFC阳极污泥SCOD在15 d时达到峰值,运行30 d时,TCOD的去除率为80.6%;冻结融溶-三室生物阴极MFC运行40 d时,TCOD的去除率为85.5%。冻结融溶-微生物燃料电池的冻结融溶处理阶段可增加污泥溶解性有机物的含量,进入MFC处理阶段,较高的溶解性有机物含量又可促进MFC中的微生物对污泥有机物的水解。冻结融溶-铁氰化钾MFC运行前期,MFC中的微生物对污泥中有机物进行水解且TCOD去除效果明显。但冻结融溶-三室生物阴极MFC在整个运行过程中对促进污泥中有机物溶出及对剩余污泥有机物的降解效果更好。对三组冻结融溶-微生物燃料电池处理污泥产电性能的研究表明,冻结融溶-铁氰化钾MFC产电阶段在运行6 d时系统获得最大功率密度10.3W/m3,冻结融溶-双室生物阴极MFC在产电阶段运行20 d时获得最大功率密度13.7 W/m3,冻结融溶-三室生物阴极MFC在产电阶段运行15 d时获得最大功率密度12.6 W/m3。冻结融溶-铁氰化钾MFC有着启动快、没有停滞阶段的优点,但冻结融溶-三室生物阴极MFC更利于剩余污泥的电能回收。对冻结融溶-微生物燃料电池各阶段处理前后污泥有机组分的特征变化研究表明,冻结融溶处理可增加污泥上清液溶解性有机物(Dissolved organic matter,DOM)和污泥固相胞外生物有机质(Extracellular biological organic matter,EBOM)中溶解性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)的含量,提高污泥可生物降解性,促进污泥固相中疏水性有机酸(HPOA)组分中芳香族化合物向液相中水解。污泥EBOM中亲水性有机物(HPI)组分和上清液中过渡亲水性有机酸(TPI-A)组分出现较弱的腐殖酸荧光团可促进后续MFC产电。对冻结融溶-铁氰化钾阴极MFC以及冻结融溶-三室生物阴极MFC运行前后污泥有机物组分特征变化分别进行分析表明,冻结融溶-三室生物阴极MFC能更为彻底地利用污泥固相中水解出的含简单芳香族氨基酸的蛋白质以及溶解性微生物产物,更有利于剩余污泥有机物降解与电能回收。