生物電化學(xué)系統(tǒng)強(qiáng)化偶氮染料酸性黑10B脫色及作用機(jī)制.pdf

1、偶氮染料由于具有高色度和生物毒性等特點(diǎn)，一直是廢水處理領(lǐng)域關(guān)注的問題之一。常規(guī)含偶氮染料的廢水處理以厭氧工藝為主，但是存在處理速度慢、易受污染物毒性影響等問題。近年來生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）作為一種新型的污水處理技術(shù)得到了高度的關(guān)注，由于其使用微生物作為陽極催化劑，相對(duì)于傳統(tǒng)的電化學(xué)方法，具有低能耗、長壽命、無二次污染等特點(diǎn)，在廢水處理領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。偶氮染料的發(fā)色基團(tuán)在BES陰極被還原從而脫色，可以加速厭氧過程，提升效率，但是

2、該技術(shù)的應(yīng)用局限性在于成本投入較高，其中包括離子交換膜和陰極貴金屬催化劑等。
　　本文從降低BES的成本投入和強(qiáng)化偶氮染料脫色的角度出發(fā)，將雙室BES的離子交換膜去除，使反應(yīng)器由有膜結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o膜結(jié)構(gòu)。一個(gè)潛在的問題是高濃度的染料廢水對(duì)陽極生物膜產(chǎn)生毒性沖擊，導(dǎo)致其電化學(xué)活性的衰退，整個(gè)系統(tǒng)的還原脫色效率下降至20.5％。為了克服這一問題，采用梯度提高染料濃度的策略對(duì)陽極生物膜進(jìn)行耐毒性的馴化。該馴化方法使陽極生物膜對(duì)高濃度染料毒性

3、耐受的同時(shí)，仍然保持著高效的電化學(xué)活性。耐毒性馴化后的陽極生物膜中主要的優(yōu)勢菌屬為 Geobacter，Thermovirga和Thauera，在生物膜中所占比例分別為28.9%，15.9%和4.4%。耐毒性馴化成功后，通過比較離子交換膜取消前后的BES性能發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)阻降低，脫色效率提高了9.3%，脫色速率從1.6 mg/L·h提高至3.7 mg/L·h。無膜反應(yīng)器脫色的另一優(yōu)勢在于內(nèi)部存在著厭氧脫色作用，而帶有離子交換膜的BES不具備

4、這一途徑。目標(biāo)偶氮染料酸性黑10B的電極還原脫色過程與偶氮發(fā)色基團(tuán)斷裂脫色這一理論一致，主要的脫色產(chǎn)物以苯胺和對(duì)苯二胺等為主，可以在好氧生物處理中完全礦化。
　　針對(duì)生物陰極的低成本、長壽命等特點(diǎn)，本研究在無膜BES中，利用陽極生物膜作為接種源，探討了生物陰極的形成過程。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的延伸，非生物陰極的表面開始有微生物的附著，生物量增大，整個(gè)系統(tǒng)的電流有了明顯的提升，平均電流從運(yùn)行初期的0.23 mA提升至0.45 mA，1

5、0 h的脫色效率也從初始運(yùn)行時(shí)的81.7%提高至93.6%。研究發(fā)現(xiàn)生物陰極的極化電流明顯高于非生物陰極，并且交流阻抗圖譜顯示了生物陰極表面的內(nèi)阻比非生物陰極降低了92.5%。二者的脫色過程都符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，生物陰極的反應(yīng)速率常數(shù)明顯高于非生物陰極。從脫色每克酸性黑10B所需要的電能消耗分析發(fā)現(xiàn)，生物陰極的由于要從電極攝取一部分電子用于自身的生命活動(dòng)，所以電能消耗要略高于非生物陰極。外加電壓的升高雖然有助于脫色效率的增加，但是過高的

6、外加電壓可能導(dǎo)致析氫等副反應(yīng)的增強(qiáng)，脫色的電流效率和比能耗下降。對(duì)生物陰極的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其與作為接種物的陽極生物膜存在著較高的特異性，二者共同享有的OTU數(shù)僅占二者總OTU數(shù)目的25.1%，說明不同的電極環(huán)境對(duì)微生物群落的影響非常顯著。在細(xì)菌群落的構(gòu)成方面，陰極生物膜存在著多種與胞外電子傳遞和偶氮染料脫色相關(guān)的細(xì)菌，這些細(xì)菌的存在是生物陰極強(qiáng)化偶氮染料還原脫色的關(guān)鍵因素，其中占優(yōu)勢的群落分別為Thermovirga（14.

7、5%），Thauera（8.2%），Comamonas(3.3%)。
　　為了深入地分析生物陰極強(qiáng)化偶氮染料還原脫色的機(jī)制，從陰極生物膜中分離出一株假單胞菌屬的純菌WYZ-2。在電極作為唯一電子供體的環(huán)境下，菌株WYZ-2可以在電極表面生存的同時(shí)使電極的催化電流從0.13 mA提升至0.35 mA，其電極表面的電荷傳內(nèi)阻從720Ω下降至255Ω。通過循環(huán)伏安掃描發(fā)現(xiàn)其生物膜表面存在著一種未知的氧化還原酶類，該物質(zhì)很可能在電極和微生