含酚废水中有毒物质在微生物燃料电池中的迁移机理

摘要

近年来，由于我国工业废水产生量的不断增加，导致水体净化能力严重不足。水体污染问题已成为制约我国社会走可持续发展道路的一个大问题，水体净化是我国现代化建设的当务之急。含酚废水作为一种典型的工业废水，其中含有的有毒物质（如酚类有机物、硫化物等）严重危害人体健康和水体生物的生存，是公认的生化性差、污染严重的难处理废水。据调查，现有的含酚废水处理技术普遍存在能耗大、成本高、易产生二次污染等缺点。微生物燃料电池（MFC）可在处理废水的同时产电，是一种效率高、能耗低的新型废水处理工艺。厌氧流化床反应器（AFB）是一种高效厌氧废水处理工艺，具有微生物易与废水充分接触、传质条件良好等优点。因此，本课题将单室MFC与AFB进行有机结合构建厌氧流化床单室微生物燃料电池（AFB-SMFC）应用于含酚废水的处理，并对其产电性能和废水处理效果进行了研究。 本研究以间甲酚模拟废水为阳极液、厌氧活性污泥为接种体，启动AFB-SMFC。在电池运行稳定后，优化厌氧活性污泥的降酚条件，并考察开路和闭路两种操作条件下间甲酚的降解效果。研究结果表明，AFB-SMFC在开路和闭路条件下的平均降酚速率分别为 11.18 mg/(L·h)和 15.29 mg/(L·h) ，闭路AFB-SMFC的电化学作用能显著提高废水中间甲酚的去除效率。 在以上研究的基础上，考察外电阻和初始间甲酚浓度对AFB-SMFC性能的影响，并对含酚废水中间甲酚的迁移规律进行探讨。研究结果表明，当外电阻为5000Ω时，最大功率密度为174.6 mW/m2，当外电阻为1000Ω时，间甲酚的去除率达99%以上。随着间甲酚初始浓度的提高，最大功率密度先增大后减小，当废水中间甲酚初始浓度为555.0 mg/L时，最大功率密度为324.4 mW/m2。当间甲酚浓度高于354.1 mg/L时，出现对微生物的抑制作用，为此建立了Haldane抑制动力学模型，得到间甲酚的最大比降解速率vmax=0.0031 h-1，半速率常数Ks=167.6 mg/L，抑制常数 Ki=362.3 mg/L。利用 GC-MS 检测间甲酚的代谢产物，结果表明，在AFB-SMFC系统中，间甲酚通过儿茶酚途径进行降解。间甲酚能诱导邻苯二酚1,2-二加氧酶的产生，由此产生邻苯二酚中间体；邻苯二酚经邻位开环生成 2,2-二甲基丁二酸，最终代谢产物为CO2和CH4。 硫化物（S2-）作为一种无机污染物，普遍存在于工业含酚废水中。本研究考察硫化物对AFB-SMFC降酚脱硫及产电性能的影响，并研究硫化物对间甲酚降解的抑制机理，进一步探讨硫化物在AFB-SMFC中的迁移规律。研究结果表明，废水中硫化物的存在会抑制微生物的活性，降低AFB-SMFC中间甲酚和硫化物的去除率，且硫化物浓度越大，抑制作用越明显。硫化物对酶的抑制机理为反竞争性抑制，这种抑制作用在一定程度上能够被减弱或克服。含酚废水中硫化物在AFB-SMFC系统中迁移规律主要有两种迁移途径：第一，硫化物在间甲酚降解过程中的迁移，即硫化物（S）与酶（E）-间甲酚（M）的络合物（EM）结合形成无活性的复合物（EMS）；第二，硫化物自身的降解，即硫化物首先失去两个电子，形成膜附着聚合硫，然后进一步被氧化为亚硫酸、硫酸。

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