微生物電催化處理硫酸鹽廢水的作用機制研究.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，對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，生物電化學系統(tǒng)如微生物電解池(MEC)已經(jīng)被廣泛研究，這種以電極(胞外導電材料)作為電子受體(陽極)或電子供體(陰極)的電子傳導模式擴展了有機物的降解途徑。在硫酸鹽廢水中，應用MEC強化有機物去除和硫酸鹽還原已有報道。然而，

2、對其作用機制研究較少，尤其是MEC對調(diào)控硫酸鹽還原與產(chǎn)甲烷關(guān)系的作用機制研究更少。更為重要的是，以電極材料(導電材料)為介導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，為強化有機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制卻鮮有報道?；谝陨峡紤]，本文以強化硫酸鹽廢水中有機物去除為主線，通過引入外加電場和導電材料等方式，探討其對硫酸鹽還原和甲烷生成的作用

3、機制。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)在水解酸化過程中，為了強化有機物去除及硫酸鹽還原，將一對碳刷-不銹鋼電極置于厭氧水解酸化反應器內(nèi)，構(gòu)成單室MEC水解酸化反應器。結(jié)果顯示，電場使有機物轉(zhuǎn)化提高了10.2％-21.3％，更多有機物被轉(zhuǎn)化為乙酸。MEC使體系內(nèi)陽極富集地桿菌等電活性微生物，但陽極氧化耦合陰極硫酸鹽還原對COD去除貢獻較低。MEC促進有機物轉(zhuǎn)化的原因是電活性微生物可強化有機酸的分解，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微生物菌群的抑制作用，使MEC反應器的處理效果始終高于對照反應器。COD/硫酸鹽影響MEC對硫酸鹽的還原作用。當COD/硫酸鹽由3降低到0.4時，陰極硫酸鹽還原對硫酸鹽全部還原的貢獻由4.6％上升到14.7％。MEC氧化有機物耦合陰極硫酸鹽還原作用有限，主要是MEC促進異養(yǎng)硫酸鹽還原作用，進而強化硫酸鹽還原對有機物的分解。
　　(2)為了探討硫酸鹽廢水中MEC強化產(chǎn)甲烷的可行性，考察MEC電勢對有機物

5、去除、硫酸鹽還原和甲烷生成的影響。-0.3V(vs NHE)、+0.3V(vs NHE)和對照組三種反應器內(nèi)，有機物去除率分別為75.5％、64.4％和59.5％。-0.3V反應器的甲烷產(chǎn)量分別是對照組和+0.3V反應器甲烷產(chǎn)量的15倍和6倍，具有最高的產(chǎn)甲烷率。-0.3V反應器內(nèi)污泥電導率分別是對照組和+0.3V反應器的3倍和1.2倍。此外，出水有機酸含量、氫氣產(chǎn)量和FISH表征預示著，MEC的陽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反應器中陽極電勢高于產(chǎn)甲烷的電勢，不能形成DIET產(chǎn)甲烷。依據(jù)該研究成果，將其應用在酸化的反應器內(nèi)，加載電極后MEC反應器出水有機物降低最明顯。該方法可快速恢復該酸化反應器的處理效果。
　　(3)依據(jù)MEC反應器中導電材料可促進甲烷生成的作用機制，在硫酸鹽廢水中構(gòu)建微生物間DIET互養(yǎng)代謝，強化產(chǎn)甲烷過程。結(jié)果顯示，加入導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，加快有機物的分解和甲烷產(chǎn)生。不銹鋼絲介導地桿菌與產(chǎn)甲烷菌間的直接種間電子傳遞在動力學上促進產(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向產(chǎn)甲烷，使其在與硫酸鹽還原的電子競爭中顯出優(yōu)勢。針對DIET產(chǎn)甲烷過程存在對硫酸鹽濃度的適應性問題，本文利用Fe2O3構(gòu)建DIET，硫酸鹽濃度在0mmol-40mmol的范圍內(nèi)時，F(xiàn)e2O3均可使DIET產(chǎn)甲烷能力提高。當Fe2O3與硫酸鹽摩爾比為1∶1時，甲烷產(chǎn)量最高。在兩相厭氧反應器中構(gòu)建微生物種間互養(yǎng)代謝，強化甲烷產(chǎn)生。高通量測序顯示產(chǎn)甲烷相中占主導的產(chǎn)甲烷菌屬為Methanothrix相對豐度為75