生物电化学体系中硝基芳香族化合物的强化还原机制

摘要

硝基芳香族化合物(NACs)具有生物降解性差、生物毒性大的特点，被许多国家列为优先控制的污染物，开展经济高效的NACs控制技术研究意义重大。本论文设计并制备了用于提高生物电化学系统(BES)电极效率的阳极和阴极材料;开发了两种无隔膜生物电化学系统(MFBES)，以实现NACs的强化还原降解。
　　采用电聚合的方法制备了聚苯胺/氧化石墨烯复合物(PANi/GO)。通过扫描电子显微镜、拉曼光谱、红外光谱的测试，证实PANi/GO复合物成功包裹于石墨毡(GF)电极表面。循环伏安测试及恒电位测试证明改性后电极的电化学活性、pH适用范围及稳定性均显著提升。将改性电极用作BES阳极，其最大功率密度显著提升，证实通过电极改性BES可获得更高的产电性能。
　　以吡咯为单体，氮掺杂石墨烯(NG)为阴离子掺杂剂，采用电聚合的方法制备聚吡咯/氮掺杂石墨烯复合物(PPY/NG)于GF电极表面。结果表明:PPY/NG复合物可均匀包裹GF表面，相比于对照组PPY修饰GF电极，其比表面积及电化学活性均显著提高。电化学测试表明，PPY/NG改性电极对于对硝基酚(PNP)具有灵敏的电流响应，并对其具有明显的电催化还原效果。将改性电极用作BES阴极，体系对PNP表现出良好的还原去除效果。
　　开发了上流式厌氧污泥床(UASB-BES)耦合系统，系统地考察了体系对2，4-二硝基氯苯(DNCB)的强化还原效果。结果表明:电场作用下DNCB的还原及脱氯过程显著增强;高电压有利于DNCB的还原，过高的电压(＞1.6V)则产生抑制作用。UASB-BES系统内生物多样性显著提高，相比厌氧对照系统的抗冲击负荷能力显著增强。UASB-BES系统内还原相关细菌(Comamonas、Denitrovibrio)及电化学活性细菌(Arcobacter、Desulfovibrio)得到富集，DNCB的还原效率因此提升。UASB-BES系统可长期稳定高效地还原DNCB，期间微生物群落结构趋于稳定。
　　开发了用于强化还原去除硝基酚的MFBES。结果表明:电场在PNP的还原及对氨基酚(PAP)生成过程中起关键作用。在阴极电位-1000mV vs Ag/AgCl，水力停留时间(HRT)8.9h时，PNP的去除速率最高达18.95±0.10molm-3d-1。在较低的电子供体用量、高PNP进水浓度及短HRT的条件下，PNP的去除及PAP的生成仍能保持较高水平，表明该系统具有良好的抵抗冲击载荷的能力。三种不同结构的硝基酚(邻硝基酚(ONP)、间硝基酚(MNP)、PNP)在该系统中还原的难易程度为ONP＞MNP＞PNP。随着不同结构的硝基酚变化，所对应的微生物群落的丰富度符合ONP＞MNP＞PNP的顺序，部分核心菌属(Treponema、Desulfovibrio及Geobacter)始终在电极生物膜内占优，其他优势微生物群落随硝基酚结构变化而改变。MFBES体系在NACs废水的强化还原处理方面具有广阔的应用前景。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景

1．1．1 研究课题的提出

1．1．2 硝基芳香族污染物的治理技术现状

1．2 生物电化学系统应用于废水处理的研究现状

1．2．1 BES概念的提出

1．2．2 BES的工作原理

1．2．3 微生物的电子传递过程

1．2．4 电极材料及其改性

1．2．5 污染物在BES系统内的降解

1．2．6 无隔膜BES技术

1．3 论文研究总体思路及主要研究内容

1．3．1 论文研究总体思路

1．3．2 主要研究内容

1．3．3 技术路线

参考文献

2 PANi／GO改性电极用于提高BES阳极性能

2．1 材料与方法

2．1．1 实验仪器及药品

2．1．2 材料制备

2．1．3 分析与测试

2．2 结果与讨论

2．2．1 电极润湿性

2．2．2 电极表面形态

2．2．3 电极表面成分

2．2．4 电极的电化学性能

2．2．5 电极的稳定性

2．2．6 电极作为BES阳极的性能

2．3 本章小结

参考文献

3 NG改性电极用于BES阴极硝基酚的强化还原

3．1 材料与方法

3．1．1 实验仪器及药品

3．1．2 材料制备

3．1．3 分析与测试

3．2 结果与讨论

3．2．1 NG的表征

3．2．2 电极表面形态

3．2．3 电极表面成分

3．2．4 电极的电化学性能

3．2．5 电极用作BES阴极还原PNP

3．3 本章小结

参考文献

4 无隔膜生物电化学系统内硝基氯苯的强化还原机制

4．1 材料与方法

4．1．1 实验仪器及药品

4．1．2 实验装置

4．1．3 接种污泥

4．1．4 模拟废水组成

4．1．5 反应器的启动与运行

4．1．6 测试、分析和计算方法

4．2 结果与讨论

4．2．2 HRT对UASB-BES性能的影响

4．2．3 盐度对UASB-BES性能的影响

4．2．4 DNCB降解产物分析

4．2．5 电场对UASB-BES内微生物群落的影响

4．2．6 长期运行条件下UASB-BES的稳定性

4．2．7 强化作用机制

4．3 本章小结

参考文献

5 硝基酚结构对其降解性能和系统优势群落的影响

5．1 材料与方法

5．1．1 实验仪器及药品

5．1．2 实验装置

5．1．3 接种污泥

5．1．4 模拟废水组成

5．1．5 反应器的启动与运行

5．1．6 测试、分析和计算方法

5．2 结果与讨论

5．2．1 外加电场对反应器性能的影响

5．2．2 电子供体用量对反应器性能的影响

5．2．3 不同进水负荷对PNP还原的影响

5．2．4 不同HRT对PNP还原的影响

5．2．5 MFBES系统的经济性评价

5．2．6 硝基酚结构对其降解性能的影响

5．2．7 硝基酚结构对微生物群落多样性的影响

5．2．8 硝基酚结构对微生物群落结构差异性的影响

5．2．9 硝基酚结构对系统优势微生物群落的影响

5．3 本章小结

参考文献

6 结论、创新点、建议和展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 建议和展望

致谢

附录