生物--电化学协同处理氟代硝基苯机理及扩大化应用研究

摘要

氟代硝基苯类化合物是一类新兴的难降解有毒污染物，具有“三致性”和“脂溶性”。相比于同等结构的氯代化合物，氟代化合物具有更高的化学稳定性和更强的生物毒性。如果这类污染物直接排放到水体中将会对人类和环境造成严重危害，因此，开发一种环保、高效、经济的有机氟废水处理新工艺迫在眉睫。本论文构建生物-电化学协同系统（electricity assisted biologic treatment，EABT）用于强化处理氟代硝基苯类废水，同时探讨了EABT系统中电极生物膜(electrode biofilm，EB)和悬浮污泥(suspendedsludge，SS)降解对氟硝基苯(p-FNB)过程中的贡献及机理。此外，本文比较了基于不同电极的EABT对邻氟硝基苯(o-FNB)、间氟硝基苯（m-FNB）和对氟硝基苯三种不同氟取代位的单氟硝基苯降解性能的差异，并从工程化应用角度出发，探讨了扩大化EABT降解p-FNB的工艺潜力。本研究主要获得以下结论: 1、本研究构建EABT实现了p-FNB的高效去除和脱氟。研究发现在EABT中，SS和EB对p-FNB的降解具有相似的贡献和作用机制。在1.4V槽压条件下，SS和EB都能够在25h内完全去除p-FNB，脱氟效率分别为53.1％和54.7％。CV曲线结果发现，EB，SS和ECS中p-FNB还原峰和p-FA氧化峰的出峰位置及峰电流没有显著差异，同时以p-FA为目标污染物时EB和SS在开路和闭路下对污染物的去除和脱氟性能相似，这些结果证明EB和SS中p-FNB的降解过程是电化学还原和非电活性微生物氧化协同的代谢机制。此外，EB和SS中富集了相同的主要功能微生物且表现出相似的生物结构多样性，表明两者存在着相似的生物代谢机制。 2、考察了BS，ECS和EABT对o-FNB、m-FNB和p-FNB的处理性能，结果发现o-FNB和m-FNB的降解和脱氟难度要高于p-FNB。还对比了钛、不锈钢和石墨三种阴极材料的EABT对o-FNB、m-FNB和p-FNB的脱氟性能，发现石墨（66.9％，70.9％和86.9％）和不锈钢（57.6％，63.5％和71.5％）的脱氟效率要显著高于相同条件下的钛（11.0％，15.0％和36.0％）。此外，LSV曲线和开路试验证实了基于不锈钢和石墨电极的EABT降解氟代硝基苯和脱氟的性能优势，主要是源于氟代硝基苯能够被还原成氟代苯胺。同时，微生物群落结构表明以o-FNB、m-FNB和p-FNB为目标污染物，基于不锈钢和石墨阴极的EABT都富集了与氟代硝基苯降解相关的主要功能菌Pseudomonas和Klebsiell。 3、构建电解-曝气相结合的EABT系统，在序批式模式下运行，研究其在扩大化中的应用潜力。考察了不同浓度，碳氮比和槽压对EABT脱氟性能影响。发现初始浓度为0.8mmol L-1时脱氟速率最高为63.5mol m-3d-1，且在该浓度下微生物活性没有受到明显抑制;碳氮比为8.6时p-FNB母体去除和脱氟率最高，分别为98.9％和71.4％;槽压为1.8V时，p-FNB去除能耗最低，仅为0.13kWh kg-p-FNB-1。因此扩大化EABT处理p-FNB过程中的最优工艺参数是:初始p-FNB浓度0.8mmol L-1，碳氮比8.6和外接槽压1.8V。生物群落结构表明，基于1.5V，1.8V和2.1V槽压的EABT系统，富集了相同的主要功能菌Flavobacteriia和Gammaproteobacteria。此外，提高进水初始p-FNB浓度为原先的四倍，系统表现出良好的抗冲击性。CV曲线和小孔腐蚀电位在运行过程中没有发生显著变化，证实了该系统具有良好的电化学稳定性。

目录

摘要

第1章绪论

1．1氟代硝基苯的来源及危害

1．1．1氟代硝基苯的来源

1．1．2氟代硝基苯的特点及危害

1．2氟代硝基苯废水处理现状

1．2．1物理法

1．2．2化学法

1．2．3生物法

1．2．4电化学法

1．2．5生物电化学法

1．3．1生物-电化学协同系统的工作原理

1．3．2生物-电化学协同系统在难降解有机废水处理中的应用

1．3．3生物-电化学协同系统处理废水的作用机制

1．4论文研究的目的及内容

1．5技术路线

第2章生物膜和悬浮污泥在EABT处理对氟硝基苯中的作用与贡献

2．1前言

2．2材料与方法

2．2．1模拟废水组成

2．2．2试验材料

2．2．3测试与分析方法

2．2．4反应器启动与运行

2．2．5数据处理与统计

2．3结果与讨论

2．3．1生物电化学协同系统处理对氟硝基苯的性能

2．3．2电极生物膜和悬浮污泥降解对氟硝基苯贡献的研究

2．3．3电极生物膜和悬浮污泥处理对氟硝基苯的机理解析

2．3．4电极生物膜和悬浮污泥的微生物群落结构分析

2．4本章小结

第3章EABT处理单氟代硝基苯的阴极材料比选

3．2．2试验材料

3．2．3分析测试方法

3．2．4反应器启动与运行

3．2．5数据处理与统计

3．3结果与讨论

3．3．1氟代硝基苯在不同电极中的降解性能

3．3．2基于不同电极EABT处理单氟代硝基的电化学机理

3．3．3微生物机理分析

3．4本章小结

第4章EABT处理对氟硝基苯的扩大应用初探

4．2．3分析测试方法

4．2．4反应器启动与运行

4．2．5数据处理与统计

4．3结果与讨论

4．3．1不同p-FNB初始浓度的影响

4．3．2不同碳氮比的影响

4．3．3不同外加槽压的影响

4．3．4生物-电化学协同系统的稳定性评估

4．4本章小结

第5章结论与建议

5．1主要结论

5．2主要创新点

5．3存在的问题及建议

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢

声明