基于电势调控的生物电极与厌氧工艺耦合系统强化氯代硝基苯还原转化研究

摘要

氯代硝基苯类化合物(ClNBs)是化工、医药、染料等行业重要基础原料，具有三致效应与遗传毒性、化学性质稳定、生物降解性差等特点，在生产与使用过程中因不合理处置导致大量进入环境，威胁生态安全与人类健康。目前，含ClNBs废水处理多以厌氧工艺为主，存在启动周期长、电子供体不足、还原性能待提升等问题。论文以2，4-二氯硝基苯（2，4-DClNB）为研究对象，构建了耦合生物电化学(BES)的厌氧生物处理装置，从阴极电势、电子供体、电极位置等方面开展生物电化学-厌氧污泥耦合工艺性能强化研究，通过目标污染物降解途径、污泥菌群结构分析初步揭示基于电势调控的生物电极与厌氧微生物耦合工艺的作用机制，取得如下研究成果:
　　1、构建了双极室生物电化学装置，在外加电压0.6V、阴极室无电子供体，阳极室含有500mg/LCOD，目标污染物2，4-DClNB浓度为50mg/L的条件下，反应24 h后，2，4-DClNB在阴极室完全还原转化。而在开路对照实验装置中，2,4-DClNB还原转化停滞，证实阴极微生物可利用阴极作为唯一电子供体还原转化2,4-DClNB。
　　构建多组生物电极-厌氧污泥耦合的堕极室生物电化学装置研究生物电极与厌氧污泥协同还原转化2，4-DClNB过程发现，在初始COD浓度500mg/L，2，4-DClNB浓度50mg/L，污泥浓度3g/L的条件下，120h时，单独厌氧污泥反应器中4-氯苯胺（4-ClAn）的降锯速率为2.24mg/L·d，而阴极电势为-450mV、-660mV、-870mV的耦合反应器中，4-ClAn的降解速率分别为3.51mg·L-1·d-1、4.61mg·L-1·d-1和4.84mg· L-1·d-1，明显高于对照反应器，表明生物电极-厌氧污泥耦合体系可明显加快反应限速步骤4-ClAn的脱氯过程，且较低的阴极电势有更利于C-Cl键断裂，促进4-ClAn的还原脱氯。
　　2、构建了MEC-UASB耦合反应器，研究阴极电势对耦合工艺处理2，4-DClNBs的影响。结果表明，在进水COD和2，4-DClNB负荷分别500 g·m-3·d-1和50 g·m-3·d-1、水力停留时间24 h条件下，阴极电势为-660mV的耦合反应器中，4-ClAn的去除速率与苯胺(An)的生成速率分别为19.56±0.84mg·L-1·d-1和4.12±1.33mg·L-1·d-1，高于阴极电势-450mV的耦合反应器的17.38±0.97mg·L-1· d-1和2.97±1.21mg·L-1·d-1。分析认为，阴极电势是驱动阴极生物化学反应的本征电化学参数，较低的阴极电势能够为脱氯微生物提供更多的能量用于脱氯反应，并通过析氢反应产生有效电子供体H2，强化氯代硝基苯还原脱氯。
　　对反应器内电极空间布设影响研究发现，将电极位置由反应器底部抬升10cm至反应器中部，限速反应步骤4-ClAn的去除速率增至20.92±0.82mg· L-1· d-1。推测抬升电极位置可强化目标污染物中间产物在升流式反应器中上部进一步还原脱氯。此外，进水有机负荷由500gCOD· m-3· d-1降至200gCOD· m-3· d-1时，2，4-DClNB进水负荷仍保持50g·m-3·d-1时，耦合反应器的脱氯率为56.41±3.51％，高于传统UASB的43.25±2.88％，表明耦合工艺能够将有限的电子更高效地用于2，4-DClNB还原转化。
　　3、对耦合工艺生物阴极显微观察发现，生物阴极表面附着具有鞭毛状结构的球菌、杆菌、丝状菌等微生物;生物阴极生物膜荧光染色技术分析活细胞主要存在于阴极生物膜表层与中间层，而内层多为死细胞，推测可能存在类似纳米导线的长距离电子传递机制。
　　应用Illumina高通量测序技术分析颗粒污泥菌群结构发现，耦合工艺运行过程污泥微生物菌群结构演替显著，在属水平上，耦合工艺中的Methanoregula、Methanolinea、 Pseudomonas、Desulfovibrio、 Longilinea、 Dehalococcoides、Dehalobacter和Anaeromyxobacter的相对丰度显著增加，表明耦合系统中产甲烷微生物、厌氧发酵菌、脱氯微生物得到明显富集。
　　进一步分析生物阴极表面生物膜微生物菌群结构发现，生物阴极作为催化还原反应的活性界面，定向富集了Dehalobacter、Dehalococcoides和Anaeromyxobacter等多种脱氯菌属，是耦合工艺强化还原脱氯的内在原因。相比，明极电势为-660mV的生物阴极上，脱氯功能菌Dehalococcoides(5.2％)、Anaeromyxobacter(2.9％)和Dehalobacter(3.0％)占比较高，推测这些功能菌在电势较低的阴极上能够获得更多的能量用于还原脱氯与自身生长。

目录

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摘要

1 文献综述

1．1 前言

1．2 氯代硝基苯类污染物主要处理技术

1．2．1 物理法

1．2．2 化学法

1．2．3 生物处理法

1．3 生物电化学系统的原理与研究现状

1．3．1 生物电化学系统工作原理

1．3．2 生物电化学系统的胞外电子传递机理

1．3．3 生物阴极去除难降解有机物

1．4 研究目的、内容与技术路线

1．4．1 研究目的

1．4．2 主要研究内容

1．4．3 技术路线

2 生物阴极还原转化2,4-二氯硝基苯性能研究

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验装置与实验设计

2．2．2 试剂配制与材料预处理

2．2．3 分析方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 阴极作为唯一电子供体还原转化2,4-二氯硝基苯

2．3．2 生物阴极与厌氧污泥协同还原转化2,4-二氯硝基苯

2．3．3 2,4-二氯硝基苯的降解途径

2．4 本章小结

3 MEC-UASB耦合型反应器处理2,4-DCINB废水性能优化研究

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验装置与运行条件

3．2．2 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 UASB反应器启动

3．3．2 阴极电势对耦合工艺还原脱氯性能的影响

3．3．3电极位置对耦合工艺还原脱氯性能的影响

3．3．4 有机负荷对耦合工艺还原脱氯性能的影响

3．4 本章小结

4 MEC-UASB工艺微生物菌群结构分析

4．1 引言

4．2 材料和方法

4．2．1 样品采集

4．2．2 分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 阴极生物膜形态特征

4．3．2 阴极生物膜生长情况

4．3．3 OTU聚类分析

4．3．4 物种丰度分析

4．3．3 微生物群落结构

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 论文的主要结论

5．2 论文的创新性

5．3 论文的不足与展望

参考文献

硕士期间成果