论文部分内容阅读
含砷废水污染问题是全球性的环境问题,传统的处理方法均存在一定的弊端。微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂,在降解有机物的同时将燃料中的化学能转化为电能的实验装置。由于它具有燃料来源广泛、反应条件温和、清洁环保等优点,自从被发现以来就引起了很多学者的关注。工业废水造成的As（Ⅲ）污染毒性大,传统处理方法副产物多、能耗高。本文确定MFC最佳运行条件后,围绕MFC在As（Ⅲ）浓度条件变化下的产电效果和污染物去除效果进行研究,并通过对阳极微生物群落进行分析,探讨MFC中阳极微生物的主要功能菌种。主要研究结果如下:MFC运行条件的实验研究与分析:乙酸钠浓度和pH。阳极表面生物膜的形成与碳源底物相关,碳源乙酸钠的浓度会影响产电微生物种群的竞争优势。输出电压周期长度与乙酸钠浓度呈正相关;最大输出电压、电流密度、功率密度随乙酸钠浓度的增大呈现先增长后下降的趋势;COD去除率和库伦效率随乙酸钠浓度的增加呈现先增长后下降的趋势。乙酸钠浓度为640.0mg·L-1时,MFC最大输出电压为703.43mV,最大电流密度为15224.4mA·m-3,最大功率密度7294.7mW·m-3,COD去除率是85.7%,库伦效率是18.0%。输出电压周期长度与pH呈正相关;电流密度、COD去除率随pH的增大呈现先增长后下降的趋势;功率密度、库伦效率与pH呈正相关。pH会影响微生物生成长环境,也会影响离子的电离条件。pH=7.0,MFC最大输出电压为580.0mV,最大电流密度为29500.0mA·m-3,最大功率密度为4000.0mW·m-3,COD去除率是87.7%,库伦效率是10.8%。综上,pH=7.0,乙酸钠浓度为640.0mg·L-1为MFC最佳运行条件。考察As（Ⅲ）浓度对MFC除砷产电及微生物群落多样性和丰富度的影响。一个完整周期内,输出电压、极化曲线、功率密度曲线、COD、库伦效率是产电性能表征方式;检测阳极室As（Ⅲ）和As（V）浓度的变化、As（Ⅲ）去除率和氧化率来反映污染物降解效果;微生物群落分析用以观察微生物群落的多样性与丰富度变化,主要优势菌种的变化。电化学性能分析表明两个极室有良好的氧化还原催化活性,阳极的催化反应与微生物的新陈代谢有密切的联系,微生物的代谢活性决定了阳极反应。污染物降解效果分析说明,阳极实现了对As（Ⅲ）的氧化解毒,微电流的刺激促进了阳极微生物对重金属的去除。输出电压与As（Ⅲ）浓度呈负相关,输出电压周期长度、开路电压、电流密度、库伦效率随As（Ⅲ）浓度的增大呈现先增长后下降的趋势;As（Ⅲ）去除率随As（Ⅲ）浓度的增大呈现先增长后下降的趋势,对应的最佳As（Ⅲ）浓度为20.0、30.0mg·L-1。此时,进行开路、闭路对比发现,As（V）氧化率与As（Ⅲ）浓度呈正相关。As（Ⅲ）可以在MFC中提高产能,同时实现在MFC中被去除。As（Ⅲ）浓度为20.0mg·L-1时,MFC获得的最大输出电压为639.7mV,最大电流密度为42000.0mA·m-3,最大功率密度为7300.8W·m-3,COD去除率是85.8%,库伦效率是10.7%。除砷效率达到79.4%,As（Ⅲ）氧化率达到72.4%。乙酸钠浓度、pH与微生物群落丰度呈正相关;当MFC加入As（Ⅲ）时,特定功能菌群发生变化导致丰富度变化,在20.0mg·L-1浓度下,阳极菌群物种丰富度最高。一个运行周期内特定功能菌群发生变化导致丰富度变化,丰富度随着运行时间的延长呈现稳定上升后下降的变化趋势。微生物群落分析结果表明,阳极优势菌种主要有:Bacteroidetes、Firmicutes、Proteobacteria。结合现有研究,推测Proteabacteria对As（Ⅲ）起到了一定的降解转化作用。综上所述,MFC去除废水中的As（Ⅲ）可行,As（Ⅲ）发生氧化解毒反应的同时MFC实现稳定产电。