人工濕地型微生物燃料電池同步降解偶氮染料與產(chǎn)電的特性及機(jī)理.pdf

1、難降解有機(jī)廢水因其可生化性差、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、具有生物毒性等特點(diǎn)，成為水污染治理領(lǐng)域的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。近年來(lái)，微生物燃料電池(MFC)技術(shù)作為一種新型的污水處理技術(shù)，因其能夠直接從污水中回收化學(xué)能并以電能形式輸出而受到廣泛關(guān)注。
　　本文利用人工濕地(CW)以及MFC構(gòu)造上的相似性，將MFC的陰陽(yáng)極嵌入人工濕地(CW)，首次構(gòu)建了全新的連續(xù)流人工濕地型微生物燃料電池（CW-MFC），并率先將其用于難降解有機(jī)廢水的凈化，成功實(shí)現(xiàn)了偶氮染料

2、廢水在CW-MFC中的脫色和同步產(chǎn)電。
　　本文考察了CW-MFC產(chǎn)電對(duì)于脫色的促進(jìn)作用以及濕地植物對(duì)于CW-MFC產(chǎn)電的促進(jìn)作用。重點(diǎn)研究了陰陽(yáng)極區(qū)域中偶氮染料的脫色和降解性能，以及陰陽(yáng)極產(chǎn)電和凈化性能之間的相互影響，分析了偶氮染料在CW-MFC中脫色和降解的機(jī)制。本文主要研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)果如下:
　　1)研究了CW-MFC對(duì)偶氮染料ABRX3的脫色與COD去除的促進(jìn)作用。結(jié)果表明，相比于斷路CW-MFC（相當(dāng)于傳統(tǒng)濕地）

3、，CW-MFC可以將ABRX3脫色率、去除率分別提高達(dá)17.0％左右和23.0％左右，脫色率和COD去除率最高分別可達(dá)95.24％和90.40％。其原因主要是共基質(zhì)氧化產(chǎn)生的電子更多地被產(chǎn)電菌導(dǎo)出到胞外，提高ABRX3與電子接觸的概率。此外，電流也能夠促進(jìn)微生物新陳代謝，從而促進(jìn)微生物對(duì)ABRX3的脫色。在CW-MFC的陽(yáng)極層，產(chǎn)電菌G.Sulfurreducens和Beta Proteobacteria的豐度明顯高于斷路CW-MFC。

4、
　　2)在陰極種植植物能夠增加陰極溶解氧量，提高陰極電勢(shì)，從而提高CW-MFC輸出電壓，陰極種植了植物的CW-MFC在廢水中不含ABRX3時(shí)產(chǎn)電最高可超過(guò)600mV，廢水中含有ABRX3時(shí)產(chǎn)電可到560mV。陰極植物能夠提高陰極層中的微生物量，有利于脫色中間產(chǎn)物在陰極的降解。植物也有利于降低陰極內(nèi)阻。
　　3)陽(yáng)極區(qū)域?qū)τ贏BRX3的脫色貢獻(xiàn)最大，陽(yáng)極脫色率最高可達(dá)65.32％。共基質(zhì)是CW-MFC產(chǎn)電和ABRX3脫色所必

5、需的電子供體，但是共基質(zhì)所提供的電子只有較少的一部分能被用于ABRX3脫色和產(chǎn)電，因此即使在較高的ABRX3負(fù)荷下，陽(yáng)極仍然能夠保持良好的脫色以及產(chǎn)電能力。ABRX3具有致毒陽(yáng)極產(chǎn)電菌，加劇陽(yáng)極極化，抑制CW-MFC產(chǎn)電的作用。在高ABRX3負(fù)荷下，CW-MFC陽(yáng)極的產(chǎn)電能力會(huì)受到明顯的負(fù)面影響。與陽(yáng)極相比，ABRX3更易獲得電子，因此即使產(chǎn)電性能因缺乏共基質(zhì)而降低時(shí)，依舊能夠保持較高的脫色性能。但是完全不含共基質(zhì)的CW-MFC脫色和產(chǎn)

6、電性能都很低，較適于CW-MFC的共基質(zhì)是葡萄糖，因?yàn)樗休^為適宜的分子量和溶解性，相比于乙酸鈉等小分子共基質(zhì)不易立刻在裝置底層被降解，有利于陽(yáng)極層的產(chǎn)電與脫色。
　　4)本研究觀察到偶氮染料在空氣陰極中的脫色現(xiàn)象，并考察了陰極對(duì)ABRX3的脫色能力以及陰陽(yáng)極之間的相互影響。研究結(jié)果表明，陰極下部的缺氧區(qū)域?yàn)槊撋峁┝撕线m的氧化還原電位條件，使從陽(yáng)極傳遞至陰極的電子可以在缺氧層中參與偶氮染料的還原反應(yīng)從而使其脫色。增大陰極面積或者

7、減小外接電阻阻值有助于陰極區(qū)域中ABRX3的脫色和陰極交換電流密度的提高，證明增強(qiáng)陰極反應(yīng)有助于陰極層中ABRX3獲得電子被還原。陰極層ABRX3脫色量隨著陰極交換電流密度的升高而提高，可達(dá)到的最高脫色量為55.07mg/L。同時(shí)，增大陰極面積可以顯著提高陰極電勢(shì)和CW-MFC的輸出電壓。陰陽(yáng)極之間的相互影響主要體現(xiàn)在:適當(dāng)提高系統(tǒng)電流強(qiáng)度有利于同時(shí)促進(jìn)陰陽(yáng)極反應(yīng)的進(jìn)行，但電流強(qiáng)度過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致陰極反應(yīng)被促進(jìn)而陽(yáng)極反應(yīng)被抑制，這與陰極與陽(yáng)

8、極競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)所需電子有關(guān)。
　　5)偶氮染料在CW-MFC底層與陽(yáng)極層中的脫色均是因偶氮鍵接受電子而被打開(kāi)的還原反應(yīng)。脫色后會(huì)生成各種芳香胺類物質(zhì)，包括醇類、酮類、脂類、胺類等。這些脫色中間產(chǎn)物可以在CW-MFC的陽(yáng)極層和陰極層被進(jìn)一步降解，生成小分子物質(zhì)。在CW-MFC的陽(yáng)極區(qū)域，共基質(zhì)被氧化生成的電子同時(shí)供給偶氮染料的脫色和CW-MFC的陽(yáng)極;陽(yáng)極所接受的電子通過(guò)外電路傳遞至陰極，一部分在陰極的好氧層中以氧氣作為電子受體完成陰極

9、反應(yīng)，另一部分到達(dá)陰極的缺氧層，繼續(xù)還原剩余的偶氮染料和脫色產(chǎn)物。
　　6)CW-MFC的運(yùn)行條件和CW-MFC構(gòu)造因子對(duì)ABRX3脫色和同步產(chǎn)電均能產(chǎn)生一定影響。ABRX3在廢水中所占比例對(duì)脫色效果影響較大;共基質(zhì)種類和緩沖液(PB)濃度對(duì)CW-MFC產(chǎn)電性能的影響較大，共基質(zhì)種類同時(shí)還對(duì)脫色產(chǎn)物的進(jìn)一步降解有較大影響?？偟谜f(shuō)來(lái)，葡萄糖是CW-MFC較為適宜的共基質(zhì)。CW-MFC的脫色和產(chǎn)電性能隨著水力停留時(shí)間(HRT)的延長(zhǎng)而