基于微生物燃料电池-芬顿系统对养猪源分离废水中诺氟沙星的降解研究

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养殖业在我国农业占比很大,其中生猪饲养又是养殖业的支柱产业。抗生素被广泛用于我国现代养殖中。预计2030年我国投入到养猪业中的抗菌药物量将达到73435t,这其中有大约70%-90%的量并没有被吸收而直接排放进入环境中。诺氟沙星(Norfloxacin,简称NOR)是全球最广泛使用的抗生素之一,在我国养猪业中广泛使用,并在地表水和地下水被频繁地检测到。由于污水处理厂常规二级工艺未能对抗生素进行有效降解,因此有必要探究一种环境友好的低能耗深度处理工艺有效降解NOR等抗生素。本文通过构建新型微生物燃料电池(MFCs)-电Fenton系统(简称生物电芬顿系统),即将MFCs与高级氧化单元进行耦合,在强化微生物燃料电池的产电性能实现能源有效利用的同时,有效利用所产电能,强化养猪源分离废水中典型抗生素的降解,对系统运行过程中,产电细菌比例及产电机理、生物电芬顿的工作机理及影响因素、电极材料的影响进行了分析研究,主要研究结论如下:(1)当连续两组产电周期的输出电压稳定,相近且不再增长时,此时认为微生物已经适应环境,视为启动完成。本研究构建的生物电Fenton系统在启动阶段的电压极值点为343.81±3.62m V,最大输出功率密度为611.01m W/m3。当连续周期内的稳定电压与极值电压比值在80%-85%范围时,则系统达到稳定阶段,此时阳极室的进水COD浓度在1100mg/L左右产电性能最佳,MFCs阳极对COD、氨氮、磷的降解率分别为87.65%、71.26%、23.73%,平均库伦效率(CE)为6.21%。(2)启动完成后,阳极碳毡上形成了状态良好的絮状生物膜。经过检测,絮状生物膜中优势细菌属包括:Niveibacterium、Pleomorphomonas、Dechlorosoma、Zoogloea、Candidatus_Competibacter、Geobacter、Blvii28_wastewater-sludge_group、Holophaga、Christensenellaceae_R-7_group、marine_group。其中产电优势菌属为Geobacter、Clostridium、Dechlorosoma,分别占比为1.2%,0.7%和4.3%;产电功能菌群总占比为6.2%,表明系统中产电细菌在厌氧条件并不是优势菌种。(3)H2O2和Fe2+的浓度是Fenton反应的主要影响因素。其中,p H和电流强度的变化会影响H2O2的浓度,当p H分别为2.0、2.5、3.0、3.5、4.0时,系统产生最大的H2O2浓度依次为526.56μmol/L、552.29μmol/L、571.93μmol/L、589.12μmol/L、563.02μmol/L;当电流强度分别为200m A、250m A、300m A、350m A、400m A时,反应生成最大的H2O2浓度依次为362μmol/L、403μmol/L、431μmol/L、473μmol/L、456μmol/L。双碳毡结构对系统中Fe2+的浓度起促进作用,本实验中Fe2+最大为1.01 mmol/L,为单碳毡时的2.3倍。因此,当阴极p H为3.5、电流强度为350m A、阴极电极结构为双碳毡时,系统的状态最佳。(4)生物电Fenton系统在降解NOR过程中,输出电压稳定在508.36±20.37m V,最大输出功率密度为1213.03m W/m3。NOR的初始浓度分别为1mg/L、2mg/L、3mg/L、5mg/L、7mg/L、9mg/L时,最终降解率依次为89.67%、89.67%、89.67%、88.39%、85.58%、82.39%,反应过程中逐渐出现新的吸收峰值依次分别为372nm和356nm。在开始的1-2个h内,H2O2浓度增加的速率非常快,其最高值为492μmol L-1,Fe2+含量从0逐渐增加最终达到1.006 mmol/L。且溶液的p H和离子强度能提高系统的产电性能和降解速率。(5)研究表明生物电Fenton系统中起降解作用的是?OH,?OH对NOR有三种主要的降解路径,分别作用在氟苯、萘啶环和哌嗪环处,且在实际降解过程中这三种方式往往同时进行。
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