微生物電催化處理硫酸鹽廢水的作用機(jī)制研究.pdf

1、硫酸鹽在許多工業(yè)廢水中濃度較高，其在厭氧條件下刺激硫酸鹽還原菌的生長(zhǎng)，對(duì)厭氧生物處理尤其是產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生抑制，降低廢水的厭氧生物處理效果。如何提高硫酸鹽廢水中有機(jī)物的厭氧去除效率，成為廢水處理領(lǐng)域的重要問題。近年來(lái)，生物電化學(xué)系統(tǒng)如微生物電解池(MEC)已經(jīng)被廣泛研究，這種以電極(胞外導(dǎo)電材料)作為電子受體(陽(yáng)極)或電子供體(陰極)的電子傳導(dǎo)模式擴(kuò)展了有機(jī)物的降解途徑。在硫酸鹽廢水中，應(yīng)用MEC強(qiáng)化有機(jī)物去除和硫酸鹽還原已有報(bào)道。然而，

2、對(duì)其作用機(jī)制研究較少，尤其是MEC對(duì)調(diào)控硫酸鹽還原與產(chǎn)甲烷關(guān)系的作用機(jī)制研究更少。更為重要的是，以電極材料(導(dǎo)電材料)為介導(dǎo)的電活性微生物有望與其他電子受體形成電子鏈接，如直接種間電子傳遞(DIET)產(chǎn)甲烷等，為強(qiáng)化有機(jī)物降解提供新的可能。然而，在硫酸鹽廢水中以電活性微生物與其他電子受體形成鏈接的作用機(jī)制卻鮮有報(bào)道?；谝陨峡紤]，本文以強(qiáng)化硫酸鹽廢水中有機(jī)物去除為主線，通過引入外加電場(chǎng)和導(dǎo)電材料等方式，探討其對(duì)硫酸鹽還原和甲烷生成的作用

3、機(jī)制。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)在水解酸化過程中，為了強(qiáng)化有機(jī)物去除及硫酸鹽還原，將一對(duì)碳刷-不銹鋼電極置于厭氧水解酸化反應(yīng)器內(nèi)，構(gòu)成單室MEC水解酸化反應(yīng)器。結(jié)果顯示，電場(chǎng)使有機(jī)物轉(zhuǎn)化提高了10.2％-21.3％，更多有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為乙酸。MEC使體系內(nèi)陽(yáng)極富集地桿菌等電活性微生物，但陽(yáng)極氧化耦合陰極硫酸鹽還原對(duì)COD去除貢獻(xiàn)較低。MEC促進(jìn)有機(jī)物轉(zhuǎn)化的原因是電活性微生物可強(qiáng)化有機(jī)酸的分解，提高體系的pH值，維持系統(tǒng)穩(wěn)定，并降

4、低MEC內(nèi)硫化氫及乙酸積累等對(duì)微生物菌群的抑制作用，使MEC反應(yīng)器的處理效果始終高于對(duì)照反應(yīng)器。COD/硫酸鹽影響MEC對(duì)硫酸鹽的還原作用。當(dāng)COD/硫酸鹽由3降低到0.4時(shí)，陰極硫酸鹽還原對(duì)硫酸鹽全部還原的貢獻(xiàn)由4.6％上升到14.7％。MEC氧化有機(jī)物耦合陰極硫酸鹽還原作用有限，主要是MEC促進(jìn)異養(yǎng)硫酸鹽還原作用，進(jìn)而強(qiáng)化硫酸鹽還原對(duì)有機(jī)物的分解。
　　(2)為了探討硫酸鹽廢水中MEC強(qiáng)化產(chǎn)甲烷的可行性，考察MEC電勢(shì)對(duì)有機(jī)物

5、去除、硫酸鹽還原和甲烷生成的影響。-0.3V(vs NHE)、+0.3V(vs NHE)和對(duì)照組三種反應(yīng)器內(nèi)，有機(jī)物去除率分別為75.5％、64.4％和59.5％。-0.3V反應(yīng)器的甲烷產(chǎn)量分別是對(duì)照組和+0.3V反應(yīng)器甲烷產(chǎn)量的15倍和6倍，具有最高的產(chǎn)甲烷率。-0.3V反應(yīng)器內(nèi)污泥電導(dǎo)率分別是對(duì)照組和+0.3V反應(yīng)器的3倍和1.2倍。此外，出水有機(jī)酸含量、氫氣產(chǎn)量和FISH表征預(yù)示著，MEC的陽(yáng)極生物膜形成了地桿菌與產(chǎn)甲烷菌直接種間

6、電子傳遞的互養(yǎng)代謝模式，因此甲烷產(chǎn)量得以提升。而+0.3V反應(yīng)器中陽(yáng)極電勢(shì)高于產(chǎn)甲烷的電勢(shì)，不能形成DIET產(chǎn)甲烷。依據(jù)該研究成果，將其應(yīng)用在酸化的反應(yīng)器內(nèi)，加載電極后MEC反應(yīng)器出水有機(jī)物降低最明顯。該方法可快速恢復(fù)該酸化反應(yīng)器的處理效果。
　　(3)依據(jù)MEC反應(yīng)器中導(dǎo)電材料可促進(jìn)甲烷生成的作用機(jī)制，在硫酸鹽廢水中構(gòu)建微生物間DIET互養(yǎng)代謝，強(qiáng)化產(chǎn)甲烷過程。結(jié)果顯示，加入導(dǎo)電材料使硫酸鹽存在下的甲烷產(chǎn)量提高了7.5％-24.

7、6％。EDX和拉曼光譜分析顯示不銹鋼絲表面形成鐵氧化物(如Fe2O3)等。FISH表征顯示，電活性微生物(如地桿菌)富集在不銹鋼絲表面。經(jīng)電子傳遞通量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，DIET產(chǎn)甲烷過程比種間氫傳遞(IHT)硫酸鹽還原具有更高的電子傳遞速率(108倍)。甲烷產(chǎn)量提升的原因是地桿菌與產(chǎn)甲烷菌形成DIET的互養(yǎng)代謝，加快有機(jī)物的分解和甲烷產(chǎn)生。不銹鋼絲介導(dǎo)地桿菌與產(chǎn)甲烷菌間的直接種間電子傳遞在動(dòng)力學(xué)上促進(jìn)產(chǎn)甲烷。加入的不銹鋼絲降低硫酸鹽接受電子的份

8、額，顯示不銹鋼絲將更多電子導(dǎo)向產(chǎn)甲烷，使其在與硫酸鹽還原的電子競(jìng)爭(zhēng)中顯出優(yōu)勢(shì)。針對(duì)DIET產(chǎn)甲烷過程存在對(duì)硫酸鹽濃度的適應(yīng)性問題，本文利用Fe2O3構(gòu)建DIET，硫酸鹽濃度在0mmol-40mmol的范圍內(nèi)時(shí)，F(xiàn)e2O3均可使DIET產(chǎn)甲烷能力提高。當(dāng)Fe2O3與硫酸鹽摩爾比為1∶1時(shí)，甲烷產(chǎn)量最高。在兩相厭氧反應(yīng)器中構(gòu)建微生物種間互養(yǎng)代謝，強(qiáng)化甲烷產(chǎn)生。高通量測(cè)序顯示產(chǎn)甲烷相中占主導(dǎo)的產(chǎn)甲烷菌屬為Methanothrix相對(duì)豐度為75