電-生物耦合技術(shù)對染料廢水的去除特性及機理.pdf

1、近年來，微生物燃料電池(MFC)因其自身可將有機污染物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的特性引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。目前研究的重點集中在產(chǎn)電與污染物去除二方面，雖然有效利用MFC產(chǎn)生的電能，提高污染物凈化效能是MFC研究的重要方向，但由于MFC產(chǎn)電具有的低質(zhì)性（微電壓，微電流），制約了該領(lǐng)域研究的進(jìn)展。本文研究了將MFC和生物膜電極反應(yīng)器(BER)組成耦合系統(tǒng)處理偶氮染料廢水。BER裝置為了保證達(dá)到良好地去除效果需要一定的外加電能，而MFC裝置在降

2、解污染物的同時產(chǎn)生電能。充分利用這兩個特點可以實現(xiàn)系統(tǒng)在電能上的自給。同時，將BER作為MFC的前處理環(huán)節(jié)，利用耦合系統(tǒng)中BER單元電化學(xué)作用和生物作用提高其出水（即MFC單元進(jìn)水）的可生化性，在促進(jìn)MFC單元對難降解有機物的去除效果的同時提高M(jìn)FC單元的產(chǎn)電效能供給BER單元，最終實現(xiàn)BER與MFC耦合系統(tǒng)在物質(zhì)和能量上的雙重耦合。
　　本研究以偶氮染料活性紅X-3B為目標(biāo)降解物，首先研究了不同陰陽極構(gòu)型的BER反應(yīng)器在不同運行

3、條件下對染料X-3B去除效率的影響;其次研究了共基質(zhì)類型、MFC連續(xù)運行以及雙陽級結(jié)構(gòu)MFC反應(yīng)器的產(chǎn)電以及去除特性及影響因素，分析了X-3B在MFC中的降解途徑，最后在上述兩部分的研究經(jīng)驗基礎(chǔ)上分別構(gòu)建了3種不同的BER與MFC耦合系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)耦合條件，產(chǎn)電與去除效率間的關(guān)系并提出了避免串聯(lián)MFC發(fā)生電極反轉(zhuǎn)的方法，具體結(jié)論如下:
　　1)為了探究一體BER最優(yōu)的處理效果，同時作為耦合系統(tǒng)的前期研究，重點研究了不同結(jié)構(gòu)與材料

4、的陰陽極對BER反應(yīng)器的影響，并對BER去除X-3B的控制條件進(jìn)行了優(yōu)化，探討了BER中X-3B的降解機理。研究發(fā)現(xiàn)，不同陰極構(gòu)型的BER自身內(nèi)阻的不同導(dǎo)致反應(yīng)器中電流密度出現(xiàn)差異，是影響X-3B去除效率的主要原因。DSA電極因為其較低的內(nèi)阻得到了更高的電流密度，因此DSA-BER有較好的去除X-3B的效能。同時試驗結(jié)果表明，在優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和運行條件下，當(dāng)進(jìn)水X-3B為200mg/L時，染料去除率達(dá)到75.70％。
　　2)為了探究

5、實現(xiàn)三維BER反應(yīng)器最優(yōu)處理效果的條件，以ACF/Ti和ACF/Fe分別為陽極和陰極，同時陰極填充顆粒活性炭構(gòu)建三維BER。研究結(jié)果表明，由于三維BER中填料活性炭表面富集了大量微生物增加了微生物的生物量，同時在填料活性炭在電流的刺激下可作為第三極直接發(fā)生還原反應(yīng)，加之三維BER特有的升流進(jìn)水方式，使得其在X-3B進(jìn)水達(dá)到800mg/L時依然有73.45％的去除率和較強的抗沖擊負(fù)荷的能力。通過UV-Vis、FT-IR和GC-MS分析，可

6、以確定BER中X-3B降解首先是偶氮雙鍵的斷裂，斷裂后產(chǎn)生了苯胺、苯環(huán)類物質(zhì)、三嗪類和萘環(huán)物質(zhì)，萘環(huán)和三嗪類物質(zhì)進(jìn)一步被還原降解為烴、醛、酯類物質(zhì)，苯胺則部分被降解為苯酚類物質(zhì)。
　　3)為了提高M(jìn)FC還原降解難降解有機物的主要反應(yīng)區(qū)域陽極的效能、并研究長期運行以及共基質(zhì)類型對MFC產(chǎn)電以及去除效率的影響，分別建立了雙陽級結(jié)構(gòu)MFC、3種不同共基質(zhì)類型的MFC裝置。結(jié)果表明雙陽級結(jié)構(gòu)MFC在較高進(jìn)水X-3B濃度和較短的HRT情況下

7、均表現(xiàn)出比單陽極結(jié)構(gòu)MFC更好的去除效率，同時在較短的HRT情況下依然能有較高的電壓輸出。然而，在進(jìn)水X-3B濃度增加到400mg/L以上時，雙陽級結(jié)構(gòu)MFC活化極化內(nèi)阻的增加導(dǎo)致了系統(tǒng)總內(nèi)阻增加，致使其最大功率密度逐漸下降;長期運行MFC中由于代謝產(chǎn)物的積累導(dǎo)致其內(nèi)阻增加從而產(chǎn)電性能下降，但在共基質(zhì)減少的情況下相比新培養(yǎng)MFC依然有良好的去除效果;共基質(zhì)的類型對MFC的去除效率影響較小，但對MFC的產(chǎn)電產(chǎn)生較大的影響。
　　4)

8、為了保證MFC串聯(lián)后有穩(wěn)定的電流輸出保證耦合系統(tǒng)正常運行，研究了兩個MFC串聯(lián)產(chǎn)電的情況。串聯(lián)后，兩個MFC反應(yīng)器的輸出電壓存在顯著的差異，但是并沒有出現(xiàn)常見的串聯(lián)MFC電極反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，MFC串聯(lián)之前保證單個MFC有較大的電流增加了其電流容量，在MFC串聯(lián)后保證其電流小于臨界電流密度是最終沒有發(fā)生電極反轉(zhuǎn)的原因。因此，在MFC串聯(lián)之前單個MFC連接較小的外阻進(jìn)行馴化能有效地防止MFC串聯(lián)時電極反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。
　　5)為了研究一體B

9、ER與串聯(lián)MFC耦合系統(tǒng)的運行情況以及系統(tǒng)的去除效率，本文構(gòu)建了一體BER與串聯(lián)MFC耦合系統(tǒng)，研究了物質(zhì)和能量匹配下耦合系統(tǒng)對X-3B的去除情況。耦合系統(tǒng)中輸出電壓基本保持在0.72～0.95V內(nèi)，電流在0.2mA左右。系統(tǒng)最大功率密度可達(dá)0.257W/m3，系統(tǒng)內(nèi)阻為1279.50Ω。耦合系統(tǒng)中BER和MFC單元相比未耦合的對照組分別提高了14.90％和14.97％，耦合系統(tǒng)X-3B總平均去除率相比未耦合提高了29.87％。同時通過

10、改變耦合系統(tǒng)中的電流發(fā)現(xiàn)電流大小影響了BER單元的去除效率，這與本文第1）部分研究結(jié)論一致。
　　6)為了研究實現(xiàn)一體BER與單個MFC耦合的條件及耦合系統(tǒng)的去除效能，構(gòu)建了一體BER與單個MFC耦合系統(tǒng)。結(jié)果表明，一體BER與單個MFC耦合系統(tǒng)對X-3B的總?cè)コ逝c一體BER與串聯(lián)MFC耦合系統(tǒng)基本一致，但擁有更高的最大功率密度，這主要歸功于該耦合系統(tǒng)自身內(nèi)阻較小并且沒有電子跨單體電池流動造成的損耗。BER單元作為前處理單元可以

11、將大分子難降解有機物降解成結(jié)構(gòu)較為簡單的有機物，保證了MFC單元減少共基質(zhì)投加量時依然能保持良好的產(chǎn)電和去除效率。耦合系統(tǒng)中輸出總電壓較為穩(wěn)定基本保持在0.24～0.32V內(nèi)，電流在0.66～0.72mA之內(nèi)，系統(tǒng)最大功率密度可達(dá)1.052W/m3，系統(tǒng)內(nèi)阻為220.69Ω。耦合系統(tǒng)中BER和MFC單元對X-3B去除貢獻(xiàn)率分別為50.05％和46.02％，X-3B的總平均去除率為96.07％。
　　7)為了研究三維BER與單個MF

12、C耦合系統(tǒng)的運行情況以及耦合系統(tǒng)的去除效能，構(gòu)建了三維BER與單個MFC耦合系統(tǒng)。耦合系統(tǒng)在X-3B的濃度為500mg/L時輸出電壓穩(wěn)定在0.45V左右，電流穩(wěn)定在0.4mA。研究結(jié)果表明在進(jìn)水濃度較低時耦合系統(tǒng)對X-3B的最終去除率僅僅比對照組提高了7.91％，而在進(jìn)水濃度較高時則有34.08％的提高，同時發(fā)現(xiàn)三維BER與單個MFC耦合系統(tǒng)對去除較高濃度的X-3B具有優(yōu)勢。
　　8)結(jié)合紫外-可見光譜，傅立葉紅外光譜以及GC-M