生物电化学反应器中同步脱硝脱硫及卤代有机物强化降解性能的研究

发布时间：2020-04-01 13:00

【摘要】：本论文主要以生物电化学反应器(Bioelectrochemical reactor,BER)为主体研究体系,在微电场刺激作用下,研究微生物对目标污染物处理性能的强化研究。针对含硫(SO_4~(2-))含氮(NO_3~-)废水而言,主要在于研究不同电极电位对异养化或自养化脱硝脱硫性能的影响,并对分析了中间产物以及微生物种群结构交替变化情况;除此之外,还利用BER独特的双室结构,在阴、阳两室中分别注入含硫废水和含氮废水,实现了阳极硝酸盐和阴极硫酸盐同步还原,并分析了两室中微生物种群结构的交替变化情况。对于卤代有机物而言,主要研究微电场刺激作用下,不同添加物(葡萄糖和乙酸钠)对于目标有机物降解性能的影响,并分析了中间产物以及微生物种群结构交替变化情况。(1)在厌氧条件下,利用BER生物阴极异养同步脱硝脱硫,在不同电极电位(0.1,0.2,0.3,0.4和0.5V vs.Ag/AgCl)下,分析了该体系中异养同步脱硫脱硝处理性能、单质硫形成的可能性以及微生物种群结构多样性及其组成。结果表明:电极电位的变化对COD去除的影响最大,对硝酸盐还原的影响最小,且硫酸盐还原不仅受到电极电位的影响,也同时受到硝酸盐还原的潜在影响;通过对硫酸盐还原过程中可能形成的产物分析后发现,硫酸盐还原率与硫化氢产率之间存在着严重的不平衡关系,在有硝酸盐存在的条件下,硫酸盐还原的最终产物可能形成单质硫;当电极电位为0.3V时,硫酸盐还原菌Desulfococcus的相对丰度最高,这可能是由于在此电极电位下,硝酸盐还原得到了促进,从而减缓了对硫酸盐还原的抑制,致使硫酸盐还原菌相对丰度增大,从而提升了硫酸盐还原性能,所以,可得出结论,0.3V为BER内生物阴极异养同步脱硝脱硫最适外电极电位。(2)在厌氧条件下,研究了不同电极电位(0.2、0.4、0.6、0.8和1.0V vs.Ag/AgCl)对BER生物阴极自养化同步脱硝脱硫性能的影响,分析了硫酸盐和硝酸盐的去除性能、亚硝酸盐的积累产量、硝酸盐和硫酸盐在反应周期内的还原趋势及微生物群落结构多样性及其组成。结果如下:电极电位对硝酸盐的去除性能和亚硝酸盐积累产量有明显的影响,对硫酸盐去除性能的影响较小;对于由外电场提供的有限电子,硝酸盐还原菌(nitrate-reducing bacteria,NRB)和硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria,SRB)之间存在着竞争关系,在5个BER中,当硝酸盐浓度低于80mg/L时,硫酸盐还原过程开始,当硝酸盐浓度低于70mg/L时,硫酸盐还原速率逐渐增加;除此之外,电极电位的升高可使得硫酸盐的还原更快开始,也就是说,使得硫酸盐还原过程抑制时间缩短,当电极电位从0.4V升高到0.8V时,电极电位升高可促进系统中硫酸盐的自养化还原,但是,在1.0 V较高电极电位下可能会对硫酸盐还原产生负面影响;微生物分析结果显示,随着电极电位从0.2V增加到0.8V,微生物种群的丰富度、多样性以及优势菌种相似,但随着电极电位进一步增加到1.0V,其发生了实质性的改变。(3)在厌氧条件下,通过在双室BER阳极施加0.2V vs.Ag/AgCl的外电极电位,在阴、阳两室中分别注入含硫废水和含氮废水,实现了阳极硝酸盐和阴极硫酸盐同步还原;通过对阳极中硝酸盐还原性能、亚硝酸盐和氨氮积累量以及阴极中硫酸盐还原性能的分析,探究了该体系运行120d内目标污染物的还原性能;并对双室中微生物种群结构及其交替变化情况进行了分析。结果表明:虽然BER内阳极硝酸盐和阴极硫酸盐的去除性能远不如常规生物处理工艺,但实现了阳极硝酸盐和阴极硫酸盐的同步还原;并且,虽然反硝化和硝酸盐还原形成氨氮都是将硝酸盐引入阳极后的潜在还原过程,但在这种混菌体系中,硝酸盐的主要还原途径还是异养反硝化;通过微生物种群结构分析发现,在阳极中,属水平上的优势菌种Pseudomonas和Azoarcus的存在证明了阳极中硝酸盐被NRB通过利用乙酸盐作为电子供体进行了还原;在阴极中,Desulfomicrobium和Thauera是阴极中硫酸盐还原的主要功能菌属;主要功能菌群的存在表明了本研究最初想法的可行性:在阳极施加0.2V外电极电位后,实现了阳极中的硝酸盐还原,阴极中的硫酸盐降解。(4)研究了有或无微电场(0.2V vs.Ag/AgCl)存在的条件下,有或无共基质(乙酸盐和葡萄糖)添加的情况下,生物厌氧降解2,4,6-TCP性能及微生物种群结构多样性及其组成,得到结论:在6个BER内,2,4,6-TCP降解性能出现了明显的差异性;由于微电场的存在以及共基质(乙酸盐和葡萄糖)的添加作为共基质,2,4,6-TCP降解性能得到了有效提升,其中,相较于乙酸盐,葡萄糖的提升效果最高;由于微电场的存在以及共基质的添加,6个BER内微生物种群结构存在明显的差异性,微生物的富集具有明显的选择性。(5)研究了有或无微电场(0.2V vs.Ag/AgCl)存在的条件下,有或无共基质(乙酸盐和葡萄糖)添加的情况下,生物厌氧降解p-CIA性能及微生物种群结构多样性及其组成,得到结论:在6个BER内,p-CIA性能出现明显差异性;由于微电场的存在以及共基质(乙酸盐和葡萄糖)的添加作为共基质,p-CIA降解性能得到了有效提升;除此之外,从阴极电流产生情况以及p-CIA降解性能两方面来说,相较于葡萄糖,乙酸盐更加适应于成为p-CIA降解的共基质;通过对两个无共基质添加BER内中间产物的分析可知,p-CIA的最终降解产物均对环境无害化,达到了本次生物降解的目的;对微生物种群结构进行了分析,在每个BER内,与p-CIA生物降解有关的功能菌群相对丰度存在明显的差异性,这可能是其降解性能差异性的主要原因。提升和强化水体中难降解有机物、硫酸盐、硝酸盐的处理性能是水处理过程中一个不断前进和探寻的主题。因此,以难降解有机物或含硫含氮废水为目标污染物,探究一种快速、高效、经济且可控的生物强化处理方法,实现目标污染物的有效去除和降解,对环境保护和治理有着极其重要的意义。
【图文】：

原理图,电化学生物传感器,原理图,生物识别

华南理工大学博士学位论文化学生物传感学生物传感技术是生物传感器的一种，是将生物分子的特异性识别与相结合而发展起来的具有快速、灵敏、操作简便等特点的一类新型用在临床各个领域[64]。该装置含有一种生物识别元素（酶、蛋白质、组织或受体），可选择性地与目标分析物反应，并产生与所研究分信号。根据生物识别过程的性质，电化学生物传感器可分为两大类亲和传感器[65]。

路线图,中间产物,硫酸盐废水,废水

本论文的研究目的及主要内容主要目的本论文主要目的在于利用微电场刺激作用对于微生物处理目标污染物的强化于含硫含氮废水而言，主要在于研究不同电极电位对于异养化或自养化强化能的影响、中间产物的分析以及微生物种群结构交替变化情况；除此之外，独特的双室结构，，在阴、阳两室中分别注入硫酸盐废水和硝酸盐废水，实现盐和阴极硫酸盐同步还原。对于有毒有机物废水而言，主要研究微电场刺激作添加物（葡萄糖和乙酸钠）对于目标有机物降解性能的影响、中间产物的分物种群结构交替变化情况。技术路线本论文的研究路线图如下所示：
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

【参考文献】