论文部分内容阅读
目前,含氮杂环化合物的处理受到广泛的重视,而喹啉和吲哚作为典型的含氮杂环化合物,也已经引起了科研工作者的重视。随着工业的快速发展,喹啉已经逐渐成为土壤和水体中主要的污染物,不仅会对环境产生危害,对生物体也有毒害作用包括致畸、致癌和致突变。而吲哚则广泛存在于焦化废水、医药废水、染料废水等难降解工业废水中。吲哚具有弱碱性、低毒性。目前对含氮杂环化合物的处理有三种传统的方法:物理法、化学法和生物法,但都有其各自的局限性,物理法无法彻底的将其转化成无毒无害的物质;化学法降解速率高,但成本高,操作复杂;而生物法处理时,存在降解效率较慢,耗能较高的问题。因此研究高效降解此类化合物的处理过程非常重要。微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）作为一种新型的污水处理工艺,是在传统燃料电池基础之上将其与微生物相结合,随着阳极有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行,不仅可以实现废水处理,还能起到电能回收、降低能耗的作用。因此,利用MFC技术降解有机物并产电逐渐成为一个新的研究热点。人们开始探究含氮杂环化合物能否在适宜条件下被MFC降解和利用。随着MFC处理技术在污水处理中的广泛应用,其经济、无二次污染的优点得到了大众的认可,但也存在一些急需解决的问题,例如生物处理效率不稳定且周期长、反应器启动时间较长等。许多有害化合物如含氮杂环化合物在MFC中由于其毒性,耐受性以及抑制性难以去除。因此,提高MFC的厌氧还原性能对降解含氮杂环化合物非常重要。零价铁（Zero-valent iron,ZVI）作为一种还原剂,由于其廉价,可靠和中等强度的还原性使其在废水处理、地下水修复和土壤修复等领域应用广泛。近年来,ZVI以其独特的还原性、强化酶活性和絮凝吸附性质已成为处理有毒有害难降解污染物的重要手段之一。将ZVI投加到厌氧微生物体系中,在厌氧条件下,ZVI与H2O发生腐蚀生成OH-,可以为协同体系维持稳定的pH环境,还可以为厌氧微生物提供电子。因此ZVI强化厌氧微生物-MFC（ZVI-MFC）耦合技术在国内外得到了广泛关注和研究。本文则直接以单一基质的喹啉和吲哚作为燃料,构建双极室MFC,研究MFC去除典型含氮杂环化合物的效果及ZVI-厌氧微生物-MFC（ZVI-MFC）耦合技术对降解效果的影响。该研究将为MFC应用于实际废水处理奠定理论基础。具体从以下方面展开MFC对典型含氮杂环芳烃类难降解有机物的降解及ZVI强化效果研究:首先,通过构建双极室MFC,培养驯化焦化厂的污泥,随后选取250mg?L-1的喹啉和吲哚分别放入阳极室驯化培养。同期选取两个400mL的污泥厌氧瓶按MFC的启动方式进行启动驯化。本实验主要对比分析了传统的厌氧处理降解典型含氮杂环化合物的效果与MFC闭路降解效果的优劣。在此基础之上,分别优化了喹啉和吲哚系统中ZVI的投加量,确定了ZVI的最优投加量。随后为了更好的探究ZVI强化厌氧-MFC的耦合,优化了ZVI强化厌氧的时间,确定了最佳强化时间。最后通过利用ZVI强化厌氧-MFC耦合体系实现了典型含氮杂环化合物降解率的提高。通过实验过程探究,得到如下实验结论:（1）250 mg?L-1的喹啉和吲哚分别在MFC生物阳极闭路（喹啉或吲哚和电极作为电子供体）和MFC生物阳极开路（即单纯厌氧微生物氧化,喹啉或吲哚作为电子供体）的体系中运行一个周期,喹啉在MFC闭路的降解率比开路提高了7%,而吲哚在MFC闭路的降解率比开路提高了6%,表明MFC生物阳极可以强化典型含氮杂环化合物的去除。（2）在ZVI-厌氧微生物-MFC耦合体系中,分别对ZVI的投加量和ZVI强化厌氧时间进行优化。在ZVI投加量实验中,具体通过5组平行对比实验,分别向吲哚和喹啉的纯厌氧体系中投加0g?L-1、2g?L-1、4 g?L-1、6 g?L-1、8 g?L-1。进行多周期实验培养测定,最后发现4 g?L-1为最优投加铁量。在强化厌氧时间优化里分别选取了12h、24h、36h进行实验探究,最终确定ZVI强化厌氧在喹啉和吲哚体系中最佳时间都为24h。（3）在ZVI强化厌氧-MFC耦合体系24h的实验探究中,通过分别对比喹啉和吲哚的降解特性,得出在此条件下加铁闭路的降解效果最优。反应4d时喹啉在加铁闭路中的降解率即可达到95%,此时降解率比加铁开路、无铁闭路、无铁开路分别提高9%、11%、20%。反应5d时加铁闭路即完全降解。同样4d时吲哚在加铁闭路中的降解率为95%,此时降解率比加铁开路、无铁闭路、无铁开路分别提高8%、12%、20%。5d时加铁闭路即完全降解。该结果揭示出ZVI强化厌氧-MFC耦合体系促进了喹啉和吲哚的降解,缩短了反应时间,大大提高了MFC闭路的降解效果。（4）探究了在ZVI强化厌氧时间为24h的最优条件下,以喹啉为单基质运行反应器时的产电特性,最高电压为500mV左右,4d之内电压达到最低值并维持稳定,其产电周期的运行时间为4d左右。（5）探究了在ZVI强化厌氧时间为24h的最优条件下,以吲哚为单基质运行反应器时的产电特性,最高电压为600mV左右,4d之内电压达到最低值并维持稳定,其产电周期的运行时间为4d左右。（6）采用高通量测序技术分析了五种不同体系（无铁闭路、无铁开路、加铁闭路、加铁开路和原污泥）的微生物群落结构组成。结果显示,加铁和无铁体系的微生物群落结构有较大差异,加铁协同体系中与喹啉和吲哚降解有关的微生物菌属含量明显得到增加,这也从本质上解释了外加ZVI促进MFC降解喹啉以及吲哚的思路是合理可行的。（7）在喹啉与吲哚两组高通量测序实验中,反应体系中加铁闭路都有利于厚壁菌门（Firmicutes）的富集。变形菌门（Protebacteria）在无铁体系中丰度较高,更适宜在无铁MFC中生存。（8）在喹啉降解实验中,加铁闭路可以促进不动杆菌属（Acinetobacter）和芽孢杆菌属（Brevibacillus）的富集,这两种菌均有利于喹啉的降解。在吲哚的降解实验中,加铁闭路促进了链霉菌属（Streptomyces sp.）的富集,有利于吲哚的降解。