濕地型燃料電池耦合生物膜電極法對(duì)難降解有機(jī)物的去除特性.pdf

1、造紙、印染、化工、農(nóng)藥、制藥等工業(yè)廢水中難降解有機(jī)物的有效去除一直是水污染防治領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文利用人工濕地(CW)和微生物燃料電池(MFC)對(duì)污染物的凈化潛能以及二者在構(gòu)造上可相互融合的優(yōu)勢(shì)，首先構(gòu)建了全新的濕地型微生物燃料電池(CW-MFC);并將生物膜電極(BER)作為CW-MFC的前處理，通過BER單元的電化學(xué)作用和生物作用，提高難降解有機(jī)廢水的可生化性，促進(jìn)后繼CW-MFC單元對(duì)難降解有機(jī)污染物的去除效果和同步產(chǎn)電性能，同

2、時(shí)還嘗試?yán)肅W-MFC產(chǎn)生的電能供給BER，形成BER/CW-MFC物質(zhì)和能量雙重耦合系統(tǒng)。本研究以偶氮染料活性艷紅X-3B為目標(biāo)降解物，對(duì)比研究了雙筒一體式BER和三維BER對(duì)染料的脫色效果及影響因素，提出了新穎的顆?；钚蕴?不銹鋼網(wǎng)(GAC-SSM)作為CW-MFC的生物陰極，并優(yōu)化了CW-MFC的運(yùn)行參數(shù)，最后考察了BER/CW-MFC耦合系統(tǒng)對(duì)染料的去除效果。通過本研究得到如下結(jié)果和結(jié)論:
　　1)以石墨棒和活性炭纖維（

3、粘附于不銹鋼圈）分別為陽(yáng)極和生物陰極構(gòu)建了雙筒一體式BER，對(duì)BER去除活性艷紅X-3B的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，并探討了BER中染料的降解機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在最優(yōu)化的條件下，當(dāng)進(jìn)水活性艷紅X-3B濃度不高于200 mg L-1時(shí)，染料脫色率均達(dá)到70％以上。當(dāng)進(jìn)水活性艷紅X-3B濃度高于100 mg L-1時(shí)，BER的脫色率和COD去除率均高于單獨(dú)生物反應(yīng)器和電化學(xué)反應(yīng)器之和，該結(jié)果表明，BER中存在電極化學(xué)反應(yīng)和微生物降解的協(xié)同作用。

4、BER去除活性艷紅X-3B的動(dòng)力學(xué)分析表明，陰極微生物的快速吸附能力有限，染料的去除主要是靠降解作用，該過程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。結(jié)合UV-Vis、FT-IR以及GC-MS分析，推測(cè)BER中的主要反應(yīng)為活性艷紅X-3B分子中偶氮雙鍵的斷裂還原反應(yīng)。
　　2)以ACF/Ti和ACF/Fe分別為陽(yáng)極和陰極，并在陰極上部填充介質(zhì)顆?；钚蕴?GAC)，構(gòu)建了密閉升流式三維BER。相比于一體式BER，三維BER耐高濃度染料負(fù)荷能力更強(qiáng)，即使進(jìn)

5、水活性艷紅X-3B濃度高達(dá)1000 mg L-1，脫色率仍然高于90％，但COD去除率只有60％左右。三維BER最佳的運(yùn)行電壓為1.0V～1.5 V，適宜的水力停留時(shí)間為24 h。當(dāng)硝態(tài)氮濃度不高于1.5 mM時(shí)，三維BER可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)反硝化脫氮和偶氮染料脫色。通過UV-Vis、FT-IR、GC-MS和HPLC分析，可以確定活性艷紅X-3B分子中偶氮雙鍵的斷裂還原反應(yīng)主要在陰極區(qū)進(jìn)行，并同時(shí)產(chǎn)生苯胺等芳香胺類物質(zhì)，當(dāng)這些中間產(chǎn)物到達(dá)陽(yáng)極

6、區(qū)域會(huì)得到進(jìn)一步降解。
　　3)為了優(yōu)化CW-MFC的產(chǎn)電性能，對(duì)比研究了不銹鋼絲網(wǎng)(SSM)、碳布-不銹鋼絲網(wǎng)(CC-SSM)和顆?；钚蕴?不銹鋼絲網(wǎng)(GAC-SSM)三種生物陰極構(gòu)型，并對(duì)CW-MFC的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，GAC-SSM產(chǎn)生的電流密度最大，達(dá)63.06±1.92 mA m-2，最大產(chǎn)電功率密度約為55.18 mW m-2。GAC-SSM為最適宜的生物陰極，主要是因?yàn)槠渚哂芯薮蟮谋砻娣e和毛細(xì)吸水能力。C

7、W-MFC的產(chǎn)電輸出隨著進(jìn)水COD濃度的增加先升高后降低。當(dāng)進(jìn)水COD濃度為250 mg L-1時(shí)，CW-MFC產(chǎn)生的電能最大，其中有植物CW-MFC的平均產(chǎn)電功率密度為43.76 mW m-2，比無植物CW-MFC高出41.92％。CW-MFC產(chǎn)電電壓的周期性波動(dòng)是由于晝夜間光照/黑暗下植物生理活動(dòng)引起的，且進(jìn)水COD濃度顯著影響電壓的振蕩振幅。CW-MFC的產(chǎn)電隨著HRT的延長(zhǎng)先增大后降低，最佳的HRT為72 h。CW-MFC產(chǎn)電功

8、率密度隨著進(jìn)水PBS濃度的升高而增加，但當(dāng)進(jìn)水中磷酸鹽緩沖溶液(PBS)濃度超過10 mM時(shí)，濕地植物蕹菜生長(zhǎng)會(huì)受到影響，因而最佳的PBS濃度為5 mM。
　　4)研究了僅水量匹配下三維BER和CW-MFC組合工藝對(duì)活性艷紅X-3B的去除情況。當(dāng)進(jìn)水染料濃度不高于1000 mg L-1時(shí)，脫色率均高于96％，COD去除率為78.86％～90.78％。當(dāng)進(jìn)水染料濃度為600 mg L-1時(shí)，CW-MFC的產(chǎn)電最高，兩組同類型CW-M

9、FC的最大產(chǎn)電功率密度分別為29.54 mW m-2和32.46mW m-2。
　　5)通過兩個(gè)CW-MFC串聯(lián)堆棧的研究表明，串聯(lián)后的輸出電壓要小于各CW-MFC單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的電壓之和。外接電阻越低時(shí)輸出電壓越低，當(dāng)外接電阻為100Ω時(shí)，內(nèi)阻較大的CW-MFC出現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。將兩個(gè)CW-MFC串聯(lián)堆棧并與三維BER進(jìn)行物質(zhì)和電能的雙重耦合。當(dāng)進(jìn)水染料活性艷紅X-3B濃度維持在600 mg L-1，系統(tǒng)穩(wěn)定后的平均輸出電壓約為0.