微生物燃料電池原位修復地下水硝酸鹽泥污染研究.pdf

1、微生物燃料電池(MFC)可從廢水中回收能量，是一種新興的環(huán)境技術。早期對MFC的研究多集中在如何提高其產(chǎn)電性能方面，隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)MFC的燃料來源廣泛，從易降解的葡萄糖、乙酸鈉等到難生物降解的苯酚、吡啶等都已被證明可作為其燃料，這提供了一種思路，使得MFC可應用于處理污染廢水的領域，但現(xiàn)有研究報道多限于水溶介質中的小試規(guī)模，其得到的結論并不適合地下水多孔介質體系。
　　目前地下水硝酸鹽污染正在變得日益嚴重，對其進行處理的

2、技術中較好的是原位修復技術，如原位生物修復技術、滲透性反應墻等?；诖?，本文思路是設計MFC裝置將其用于模擬原位修復受硝酸鹽污染的地下水，研究裝置在多孔介質條件下的生物修復功能和產(chǎn)電功能。設計了單室和雙室兩種大體積MFC裝置進行原位修復地下水硝酸鹽污染的研究，并對這兩種裝置的運行參數(shù)進行了較為系統(tǒng)的研究，包括地下水中的COD濃度，MFC的外接電阻值，以及地下水pH環(huán)境等因素對MFC裝置脫氮除碳性能和產(chǎn)電性能的影響。論文得到的主要結論有以

3、下幾點：
　　1、結合將MFC應用于地下水硝酸鹽污染原位修復的實際情況，設計了單室和雙室兩種大體積的MFC模型裝置。單室MFC裝置使用鈦基二氧化鉛電極作為陰極，埋置于沙子中的兩塊碳布作為陽極；雙室MFC裝置采用鹽橋來連接陽極室和陰極室，陰、陽極均采用碳布作為電極材料，并測定了MFC模型裝置的相關水理參數(shù)。研究結果表明該兩種裝置(特別是單室MFC裝置)用于模擬處理受硝酸鹽污染的地下水是有效的，為下一步將MFC應用于實際地下水硝酸鹽污

4、染原位修復打下基礎。
　　2、本研究小組自制的鈦基二氧化鉛電極，在水溶介質體系的MFC研究中取得了較好的處理硝酸鹽廢水效果，本文使用多種電化學方法對該電極的電催化性能進行了研究。該電極的循環(huán)伏安曲線表明，其自身并沒有參與MFC中的反硝化反應，它提高MFC的脫氮和去污能力主要是因為其具有較高的電流響應度；該電極的電化學阻抗譜表明，電極在經(jīng)過一段反應時間后，其在MFC反應體系里的電化學活性增強，這從機理上解釋了MFC要想獲得穩(wěn)定的電壓

5、輸出，都需要一定啟動時間的現(xiàn)象。
　　3、單室MFC裝置模型運行結果表明，對目標污染物硝酸鹽初始濃度為100mg/L的情況下，該裝置可以利用廢水中的有機物作為燃料(對應的COD濃度分別為1000mg/L和500mg/L)，同步去除水中的有機物和硝酸鹽，并獲得穩(wěn)定的電壓輸出。得出了該單室MFC裝置在原位修復地下水硝酸鹽污染(地下水中硝酸鹽濃度為100 mg/L)的最佳運行參數(shù)為：水中COD濃度為500mg/L，地下水溶液體系的pH值

6、為7.0，MFC的外接電阻值為800Ω。此時該MFC的去污產(chǎn)電性能表現(xiàn)如下：除碳－最終溢流槽出水口的濃度為212mg/L，COD的去除率為57.6%(實驗期間部分時間段COD的最大去除率達到76.2%)；脫氮--在整個運行周期硝酸鹽氮數(shù)值始終處于非常低的水平，最大值僅有5.15mg/L，亞硝酸氮沒有積累，氨氮濃度較大由于硝酸鹽異化反應較多所致，同時與緩沖溶液里添加NH4Cl有關；產(chǎn)電--在整個實驗運行期間，對外輸出電壓都相當平穩(wěn)，最高電

7、壓達413mv，實驗結束后的電壓仍保持在300mv左右，顯示了良好的持續(xù)和穩(wěn)定的電壓輸出性能；最大功率密度為56.36mW·m-2，相應的電流密度為187.68mA·m-2，表明了該單室MFC裝置的脫氮除碳和產(chǎn)電性能得到了最佳的統(tǒng)一。
　　4、雙室MFC裝置在以和單室MFC裝置相同的參數(shù)運行結果表明，對處理水中目標污染物硝酸鹽初始濃度為100mg/L的情況下，該裝置去除廢水中COD性能和硝酸鹽性能較差，同時產(chǎn)電性能也較差。這一方面

8、與該雙室MFC運行時間較短有關以外，還說明了該裝置的設計和結構尚需進一步的改進。研究了兩種裝置中硝酸鹽濃度隨時空的變化關系，為下一步建立實驗砂槽裝置內(nèi)地下水體系溶質遷移模型，進行硝酸鹽在地下水中遷移機理的理論研究，確定硝酸鹽在多孔介質體系中的運移轉化規(guī)律打下基礎。
　　5、利用電化學工作站研究電極在兩種MFC裝置溶液體系里的電化學行為，利用掃描電鏡(SEM)觀察了碳布電極上附著的活性污泥生物膜的表面形貌，并用聚合酶鏈式反應(PCR

9、)、變性梯度凝膠電泳(DGGE)技術對其中的細菌群落分布進行了研究。電化學研究表明，單室二氧化鉛電極在長期運行后電化學活性會降低，雙室陽極碳布電極在實驗結束溶液體系里的電化學活性增強；SEM觀察到單室碳布表面覆蓋了厚厚的生物膜，雙室陽極碳布被厚厚的一層蓋桿狀細菌覆蓋，雙室陰極碳布上基本沒有生物膜；細菌研究表明單室碳布生物膜細菌主要是Fluviicola taffensis，F(xiàn)lavobacteriales bacterium，Morax

10、ellaceae Bacterium，Acinetobacter sp，F(xiàn)lavobacterium sp，Janthinobacterium lividum和Comamonadaceae bacterium；雙室碳布生物膜細菌主要是Hyphomicrobium sp，Rhodobacter sp，Thermomonas fusca，Thermomonas fusca，Hirschiabaltica，Arcobacter sp和Rhod