人工濕地型微生物燃料電池同步降解偶氮染料與產(chǎn)電的特性及機理.pdf

1、難降解有機廢水因其可生化性差、化學性質(zhì)穩(wěn)定、具有生物毒性等特點，成為水污染治理領域的難點和熱點。近年來，微生物燃料電池(MFC)技術作為一種新型的污水處理技術，因其能夠直接從污水中回收化學能并以電能形式輸出而受到廣泛關注。
　　本文利用人工濕地(CW)以及MFC構造上的相似性，將MFC的陰陽極嵌入人工濕地(CW)，首次構建了全新的連續(xù)流人工濕地型微生物燃料電池（CW-MFC），并率先將其用于難降解有機廢水的凈化，成功實現(xiàn)了偶氮染料

2、廢水在CW-MFC中的脫色和同步產(chǎn)電。
　　本文考察了CW-MFC產(chǎn)電對于脫色的促進作用以及濕地植物對于CW-MFC產(chǎn)電的促進作用。重點研究了陰陽極區(qū)域中偶氮染料的脫色和降解性能，以及陰陽極產(chǎn)電和凈化性能之間的相互影響，分析了偶氮染料在CW-MFC中脫色和降解的機制。本文主要研究內(nèi)容和研究結果如下:
　　1)研究了CW-MFC對偶氮染料ABRX3的脫色與COD去除的促進作用。結果表明，相比于斷路CW-MFC（相當于傳統(tǒng)濕地）

3、，CW-MFC可以將ABRX3脫色率、去除率分別提高達17.0％左右和23.0％左右，脫色率和COD去除率最高分別可達95.24％和90.40％。其原因主要是共基質(zhì)氧化產(chǎn)生的電子更多地被產(chǎn)電菌導出到胞外，提高ABRX3與電子接觸的概率。此外，電流也能夠促進微生物新陳代謝，從而促進微生物對ABRX3的脫色。在CW-MFC的陽極層，產(chǎn)電菌G.Sulfurreducens和Beta Proteobacteria的豐度明顯高于斷路CW-MFC。

4、
　　2)在陰極種植植物能夠增加陰極溶解氧量，提高陰極電勢，從而提高CW-MFC輸出電壓，陰極種植了植物的CW-MFC在廢水中不含ABRX3時產(chǎn)電最高可超過600mV，廢水中含有ABRX3時產(chǎn)電可到560mV。陰極植物能夠提高陰極層中的微生物量，有利于脫色中間產(chǎn)物在陰極的降解。植物也有利于降低陰極內(nèi)阻。
　　3)陽極區(qū)域對于ABRX3的脫色貢獻最大，陽極脫色率最高可達65.32％。共基質(zhì)是CW-MFC產(chǎn)電和ABRX3脫色所必

5、需的電子供體，但是共基質(zhì)所提供的電子只有較少的一部分能被用于ABRX3脫色和產(chǎn)電，因此即使在較高的ABRX3負荷下，陽極仍然能夠保持良好的脫色以及產(chǎn)電能力。ABRX3具有致毒陽極產(chǎn)電菌，加劇陽極極化，抑制CW-MFC產(chǎn)電的作用。在高ABRX3負荷下，CW-MFC陽極的產(chǎn)電能力會受到明顯的負面影響。與陽極相比，ABRX3更易獲得電子，因此即使產(chǎn)電性能因缺乏共基質(zhì)而降低時，依舊能夠保持較高的脫色性能。但是完全不含共基質(zhì)的CW-MFC脫色和產(chǎn)

6、電性能都很低，較適于CW-MFC的共基質(zhì)是葡萄糖，因為它有較為適宜的分子量和溶解性，相比于乙酸鈉等小分子共基質(zhì)不易立刻在裝置底層被降解，有利于陽極層的產(chǎn)電與脫色。
　　4)本研究觀察到偶氮染料在空氣陰極中的脫色現(xiàn)象，并考察了陰極對ABRX3的脫色能力以及陰陽極之間的相互影響。研究結果表明，陰極下部的缺氧區(qū)域為脫色提供了合適的氧化還原電位條件，使從陽極傳遞至陰極的電子可以在缺氧層中參與偶氮染料的還原反應從而使其脫色。增大陰極面積或者

7、減小外接電阻阻值有助于陰極區(qū)域中ABRX3的脫色和陰極交換電流密度的提高，證明增強陰極反應有助于陰極層中ABRX3獲得電子被還原。陰極層ABRX3脫色量隨著陰極交換電流密度的升高而提高，可達到的最高脫色量為55.07mg/L。同時，增大陰極面積可以顯著提高陰極電勢和CW-MFC的輸出電壓。陰陽極之間的相互影響主要體現(xiàn)在:適當提高系統(tǒng)電流強度有利于同時促進陰陽極反應的進行，但電流強度過高則會導致陰極反應被促進而陽極反應被抑制，這與陰極與陽

8、極競爭反應所需電子有關。
　　5)偶氮染料在CW-MFC底層與陽極層中的脫色均是因偶氮鍵接受電子而被打開的還原反應。脫色后會生成各種芳香胺類物質(zhì)，包括醇類、酮類、脂類、胺類等。這些脫色中間產(chǎn)物可以在CW-MFC的陽極層和陰極層被進一步降解，生成小分子物質(zhì)。在CW-MFC的陽極區(qū)域，共基質(zhì)被氧化生成的電子同時供給偶氮染料的脫色和CW-MFC的陽極;陽極所接受的電子通過外電路傳遞至陰極，一部分在陰極的好氧層中以氧氣作為電子受體完成陰極

9、反應，另一部分到達陰極的缺氧層，繼續(xù)還原剩余的偶氮染料和脫色產(chǎn)物。
　　6)CW-MFC的運行條件和CW-MFC構造因子對ABRX3脫色和同步產(chǎn)電均能產(chǎn)生一定影響。ABRX3在廢水中所占比例對脫色效果影響較大;共基質(zhì)種類和緩沖液(PB)濃度對CW-MFC產(chǎn)電性能的影響較大，共基質(zhì)種類同時還對脫色產(chǎn)物的進一步降解有較大影響?？偟谜f來，葡萄糖是CW-MFC較為適宜的共基質(zhì)。CW-MFC的脫色和產(chǎn)電性能隨著水力停留時間(HRT)的延長而