電-生物耦合技術對染料廢水的去除特性及機理.pdf

1、近年來，微生物燃料電池(MFC)因其自身可將有機污染物中的化學能轉化為電能的特性引起了國內外的廣泛關注。目前研究的重點集中在產電與污染物去除二方面，雖然有效利用MFC產生的電能，提高污染物凈化效能是MFC研究的重要方向，但由于MFC產電具有的低質性（微電壓，微電流），制約了該領域研究的進展。本文研究了將MFC和生物膜電極反應器(BER)組成耦合系統(tǒng)處理偶氮染料廢水。BER裝置為了保證達到良好地去除效果需要一定的外加電能，而MFC裝置在降

2、解污染物的同時產生電能。充分利用這兩個特點可以實現系統(tǒng)在電能上的自給。同時，將BER作為MFC的前處理環(huán)節(jié)，利用耦合系統(tǒng)中BER單元電化學作用和生物作用提高其出水（即MFC單元進水）的可生化性，在促進MFC單元對難降解有機物的去除效果的同時提高MFC單元的產電效能供給BER單元，最終實現BER與MFC耦合系統(tǒng)在物質和能量上的雙重耦合。
　　本研究以偶氮染料活性紅X-3B為目標降解物，首先研究了不同陰陽極構型的BER反應器在不同運行

3、條件下對染料X-3B去除效率的影響;其次研究了共基質類型、MFC連續(xù)運行以及雙陽級結構MFC反應器的產電以及去除特性及影響因素，分析了X-3B在MFC中的降解途徑，最后在上述兩部分的研究經驗基礎上分別構建了3種不同的BER與MFC耦合系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)耦合條件，產電與去除效率間的關系并提出了避免串聯MFC發(fā)生電極反轉的方法，具體結論如下:
　　1)為了探究一體BER最優(yōu)的處理效果，同時作為耦合系統(tǒng)的前期研究，重點研究了不同結構與材料

4、的陰陽極對BER反應器的影響，并對BER去除X-3B的控制條件進行了優(yōu)化，探討了BER中X-3B的降解機理。研究發(fā)現，不同陰極構型的BER自身內阻的不同導致反應器中電流密度出現差異，是影響X-3B去除效率的主要原因。DSA電極因為其較低的內阻得到了更高的電流密度，因此DSA-BER有較好的去除X-3B的效能。同時試驗結果表明，在優(yōu)化的結構和運行條件下，當進水X-3B為200mg/L時，染料去除率達到75.70％。
　　2)為了探究

5、實現三維BER反應器最優(yōu)處理效果的條件，以ACF/Ti和ACF/Fe分別為陽極和陰極，同時陰極填充顆?；钚蕴繕嫿ㄈSBER。研究結果表明，由于三維BER中填料活性炭表面富集了大量微生物增加了微生物的生物量，同時在填料活性炭在電流的刺激下可作為第三極直接發(fā)生還原反應，加之三維BER特有的升流進水方式，使得其在X-3B進水達到800mg/L時依然有73.45％的去除率和較強的抗沖擊負荷的能力。通過UV-Vis、FT-IR和GC-MS分析，可

6、以確定BER中X-3B降解首先是偶氮雙鍵的斷裂，斷裂后產生了苯胺、苯環(huán)類物質、三嗪類和萘環(huán)物質，萘環(huán)和三嗪類物質進一步被還原降解為烴、醛、酯類物質，苯胺則部分被降解為苯酚類物質。
　　3)為了提高MFC還原降解難降解有機物的主要反應區(qū)域陽極的效能、并研究長期運行以及共基質類型對MFC產電以及去除效率的影響，分別建立了雙陽級結構MFC、3種不同共基質類型的MFC裝置。結果表明雙陽級結構MFC在較高進水X-3B濃度和較短的HRT情況下

7、均表現出比單陽極結構MFC更好的去除效率，同時在較短的HRT情況下依然能有較高的電壓輸出。然而，在進水X-3B濃度增加到400mg/L以上時，雙陽級結構MFC活化極化內阻的增加導致了系統(tǒng)總內阻增加，致使其最大功率密度逐漸下降;長期運行MFC中由于代謝產物的積累導致其內阻增加從而產電性能下降，但在共基質減少的情況下相比新培養(yǎng)MFC依然有良好的去除效果;共基質的類型對MFC的去除效率影響較小，但對MFC的產電產生較大的影響。
　　4)

8、為了保證MFC串聯后有穩(wěn)定的電流輸出保證耦合系統(tǒng)正常運行，研究了兩個MFC串聯產電的情況。串聯后，兩個MFC反應器的輸出電壓存在顯著的差異，但是并沒有出現常見的串聯MFC電極反轉現象，MFC串聯之前保證單個MFC有較大的電流增加了其電流容量，在MFC串聯后保證其電流小于臨界電流密度是最終沒有發(fā)生電極反轉的原因。因此，在MFC串聯之前單個MFC連接較小的外阻進行馴化能有效地防止MFC串聯時電極反轉現象的發(fā)生。
　　5)為了研究一體B

9、ER與串聯MFC耦合系統(tǒng)的運行情況以及系統(tǒng)的去除效率，本文構建了一體BER與串聯MFC耦合系統(tǒng)，研究了物質和能量匹配下耦合系統(tǒng)對X-3B的去除情況。耦合系統(tǒng)中輸出電壓基本保持在0.72～0.95V內，電流在0.2mA左右。系統(tǒng)最大功率密度可達0.257W/m3，系統(tǒng)內阻為1279.50Ω。耦合系統(tǒng)中BER和MFC單元相比未耦合的對照組分別提高了14.90％和14.97％，耦合系統(tǒng)X-3B總平均去除率相比未耦合提高了29.87％。同時通過

10、改變耦合系統(tǒng)中的電流發(fā)現電流大小影響了BER單元的去除效率，這與本文第1）部分研究結論一致。
　　6)為了研究實現一體BER與單個MFC耦合的條件及耦合系統(tǒng)的去除效能，構建了一體BER與單個MFC耦合系統(tǒng)。結果表明，一體BER與單個MFC耦合系統(tǒng)對X-3B的總去除率與一體BER與串聯MFC耦合系統(tǒng)基本一致，但擁有更高的最大功率密度，這主要歸功于該耦合系統(tǒng)自身內阻較小并且沒有電子跨單體電池流動造成的損耗。BER單元作為前處理單元可以

11、將大分子難降解有機物降解成結構較為簡單的有機物，保證了MFC單元減少共基質投加量時依然能保持良好的產電和去除效率。耦合系統(tǒng)中輸出總電壓較為穩(wěn)定基本保持在0.24～0.32V內，電流在0.66～0.72mA之內，系統(tǒng)最大功率密度可達1.052W/m3，系統(tǒng)內阻為220.69Ω。耦合系統(tǒng)中BER和MFC單元對X-3B去除貢獻率分別為50.05％和46.02％，X-3B的總平均去除率為96.07％。
　　7)為了研究三維BER與單個MF

12、C耦合系統(tǒng)的運行情況以及耦合系統(tǒng)的去除效能，構建了三維BER與單個MFC耦合系統(tǒng)。耦合系統(tǒng)在X-3B的濃度為500mg/L時輸出電壓穩(wěn)定在0.45V左右，電流穩(wěn)定在0.4mA。研究結果表明在進水濃度較低時耦合系統(tǒng)對X-3B的最終去除率僅僅比對照組提高了7.91％，而在進水濃度較高時則有34.08％的提高，同時發(fā)現三維BER與單個MFC耦合系統(tǒng)對去除較高濃度的X-3B具有優(yōu)勢。
　　8)結合紫外-可見光譜，傅立葉紅外光譜以及GC-M