微生物燃料电池耦合人工湿地强化污染物的去除机理及生物产电效果研究

摘要

人工湿地（Constructed Wetland，CW）得益于构建成本低、运行管理费用小、能源消耗低等优势广泛地应用于生活污水及工业废水的治理中。然而，实际工程发现其仍存在综合水处理效率不高、占地面积大等问题。本研究借助微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）技术构建基于生物电强化污染物去除效率的CW-MFC，其通过湿地自身好-厌氧区氧化还原电位差形成微电场驯化厌氧区产电活跃菌聚集及强化电子转移。此外，产电活跃菌能广泛地参与到氮、硫等物质的代谢过程中，从而达到强化污染物降解的目的。本研究集中探索了电极材料、水质条件、填料粒径与植物类型变化对CW-MFC耦合系统生物电输出和污染物降解的影响，并分析了多环芳烃（菲、蒽）在CW-MFC系统中的降解、迁移、吸附机理。结论如下： （1）不同电极材料对产电活跃菌的聚集程度不同，导致CW-MFC对生物电输出和污染物去除效率有显著差异。构建以碳纤维毡、不锈钢铁网、碳棒和发泡镍分别为电极材料的CW-MFC系统。结果发现有机物浓度的增加增强了阳极室厌氧条件，从而提高CW-MFC的生物电输出；同时气温变化、植物昼夜光合效率波动会不同程度引起CW-MFC生物电的输出变化；另外比表面积较大的碳纤维毡和发泡镍为电极材料的CW-MFC生物电平均输出电压和NO3-N去除效率要显著高于不锈钢铁网、碳棒材料装置。这是因为碳纤维毡和发泡镍周围聚集了大量的产电活跃菌，这些细菌直接或间接地转移出电子作为电子供体，而水体中所含的NO3-N 可在阳极或阳极附近作为电子受体，特别地，阳极发泡镍周围聚集了大量的自养反硝化菌（Dechloromonas），进而显著提高了 CW-MFC 反硝化效率。 （2）闭合偏碱性条件有利于产电活跃菌的富集，从而有助于NO3-N等污染物的去除。选取碳纤维毡为CW-MFC电极材料并设计3组进水pH值水质条件，并设置偏碱性条件下的开路对照组。结果发现酸性（pH: 5.18 ± 0.14）条件下，CW-MFC 耦合系统的微生物代谢产生和转移质子受到了显著抑制，降低了其生物电输出能力；偏碱性（pH:7.31 ± 0.13）和碱性（pH: 8.75 ± 0.12）条件下平均生物电输出在117~168 mV之间波动，同时在闭合偏碱性（pH: 7.31 ± 0.13）条件下CW-MFC的NO3-N平均去除效率比开路CW-MFC 高出30~40%。这是由于产电活跃菌在闭合 CW-MFC 阳极室电极材料表面大量富集，其能够显著增强 CW-MFC 系统的脱氮能力。总体上，这些细菌的相对丰度基本上不受进水 pH 值影响，但其代谢活性在酸性条件下受到显著抑制从而降低了生物电的输出。 （3）CW-MFC的生物电输出和污染物去除对填料粒径的响应机制不同，中粒径有利于电子和质子的转移，小粒径微生物群落多样性提高有助于污染物的降解。在有无挺水植物栽种的基础上，选取平均粒径分别为2.8、5.2 mm的石英砂填料构建以碳纤维毡为CW-MFC电极材料的装置。结果发现后者的平均生物电输出显著高于前者，另外无植物种植的前者在运行7个水力周期后，生物电平均输出电压从276 mV大幅降至112 mV；前者的COD和NO3-N去除效率要显著高于后者。其主要原因是小粒径微生物群落多样性提高有助于污染物的降解，而中粒径有利于电子和质子的转移；此外，湿地植物对于CW-MFC保持长期稳定的电压至关重要。 （4）湿地植物通过根际效应提升微生物相对丰度强化CW-MFC生物电输出和污染物去除。设计无植物CW-MFC对照装置及栽种植物灯芯草、香蒲和水葱的CW-MFC装置。结果发现4个装置的平均生物电输出依次为235 ± 28、182 ± 29、416 ± 50和345 ± 42 mV，且香蒲和水葱可显著提升CW-MFC装置的COD、NH3-N、NO3-N和TN去除效率。主要是由于香蒲和水葱发达的植物根系和泌氧能力给根区的微生物提高了异养微生物的丰度，这些细菌通过氧化有机物产生小分子化合物，部分物质能够在阴极室作为电子受体从而提高了生物电的输出效率。另外，植物根系较高的泌氧能力也增加了阴极室的氧化还原电位，从而提高阴极室和阳极室之间的氧化还原电位梯度增强电压输出。植物根际分泌物能够显著提升微生物的多样性群落结构，特别是脱氮菌及异养反硝化菌的相对丰度，并且部分细菌具有处理难降解有机物（芳香族）的能力，而这些菌群的增加最终强化了植物根区无机氮及有机物的去除效率和CW-MFC装置的生物电输出。 （5）电极负载nZVI的CW-MFC具有很好的强化去除难降解有机污染物的能力，对传统CW污染物降解能力有显著提升。选取香蒲为湿地植物，以碳纤维毡和发泡镍及其负载nZVI为电极材料的CW-MFC装置研究难降解有机物（菲、蒽）降解、迁移、吸附机理。结果发现电极材料负载nZVI小球的CW-MFC装置平均生物电输出要比对照装置高出 6.0~13.0%；冬季水体中溶解氧浓度的增加，NH3-N的去除效率要显著高于夏季，并且NH3-N去除效率与水中溶解氧含量线性相关；电极材料负载nZVI小球的CW-MFC装置的NH3-N、NO3-N和TN去除效率要显著高于对照装置。部分菲、蒽先吸附在填料表面形成的微生物膜而后经过生物代谢生成小分子的有机物作为微生物代谢所用的碳源（如邻苯二甲酸），植物萃取的菲、蒽等有机物可依次迁移至植物根、茎、叶体内，其中生物降解过程是菲、蒽去除的主要途径，根是植物萃取菲、蒽的主要载体，电极材料负载nZVI的表面可提升具有菲、蒽降解能力的假单胞菌属（Pseudomonas sp.）的生长，其可能是由于nZVI含有细菌降解菲、蒽的双加氧酶所需的Fe和S元素。

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