微生物燃料電池同步降解偶氮染料與產電研究

《微生物燃料電池同步降解偶氮染料與產電研究》是依託華南理工大學，由胡勇有擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微生物燃料電池同步降解偶氮染料與產電研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：胡勇有
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

微生物燃料電池（MFC）作為一種新概念廢水處理技術，近年來受到了極大的關注。嘗試將易降解有機物作為MFC燃料產電的同時作為共基質促進難降解有機物降解，有望開拓一條難降解廢水處理新途經。本項目採用 無PEM-空氣陰極單室型MFC和生物陰極雙室型MFC，以偶氮染料-剛果紅為特徵難降解有機物，旨在探索易降解有機物共基質下：MFC同步降解偶氮染料和產電效率的特性；偶氮染料的降解途徑及電子產生、傳遞與分配機制；偶氮染料降解與產電之間的相互影響與關在線上制；生物型氧化還原介體對同步偶氮染料降解與MFC產電的作用機制；降解菌與產電菌群的微生態關係和調控策略等。為開拓MFC處理偶氮染料廢水新途經提供理論基礎。

結題摘要

嘗試與易降解有機物共代謝的微生物燃料電池（MFC）產電與降解難降解有機物，有望開拓一條難降解廢水處理新途經。本項目構建了 “無PEM-空氣陰極單室型MFC”和“生物陰極雙室型MFC”，以偶氮染料—活性艷紅X-3B（ABRX3）和剛果紅為特徵難降解有機物，探索其與易降解有機物共基質下，MFC同步降解偶氮染料和產電的特性；偶氮染料降解途徑及電子產生、傳遞與分配機制；偶氮染料降解與產電之間的相互影響與關在線上制；氧化還原介體對同步偶氮染料降解與產電的作用機制；降解菌與產電菌群的微生態關係和調控策略等。結果表明， 以葡萄糖等為共基質，MFC能實現同步降解偶氮染料與產電，與傳統厭氧反應器相比，MFC能2.7倍提高ABRX3脫色速率；同時，MFC產生約0.5 V可重複穩定電壓。ABRX3濃度增加減緩脫色，但最終脫色率基本穩定。高濃度下脫色產物積累，抑制產電，但重新更換陽極溶液後產電性能可恢復到初始水平。葡萄糖是MFC同步脫色ABRX3與產電最佳共基質。低電阻能加速ABRX3脫色。懸浮污泥能加速ABRX3脫色並增大電能輸出。電子介體能增強MFC同步脫色偶氮染料和產電。促進效果排序為：0.5 g/L腐植酸＞0.5 mM核黃素＞0.5 mM AQDS。剛果紅更易於獲取電子，脫色優先於產電。低濃度剛果紅可作為電子介體增強電子由細菌到陽極的傳遞。高濃度會加劇消耗電子，增大陽極極化阻抗，可通過增加共基質濃度彌補電子損失。產電菌和染料降解菌共存於MFC陽極，脫色和產電主要依賴於陽極生物膜。偶氮染料在陽極厭氧生物還原，斷裂偶氮鍵生成芳香胺，與傳統厭氧生物降解偶氮染料途徑一致。利用好氧生物陰極MFC對偶氮染料脫色液進一步降解與同步產電，能在12 h內去除ABRX3脫色液（DL）24.8% 的COD，主要為苯胺類衍生物，由生物降解作用完成。ABRX3脫色產物可作為介體增強電子由陰極到氧的傳遞，提升陰極電勢，進而改善MFC產電性能。陰極懸浮污泥可以提升MFC產電性能，但對剛果紅脫色影響較小。生物陰極添加鐵錳能顯著加速MFC啟動，增大MFC功率輸出，主要功能菌為錳氧化菌Leptothrix discophora和自養反硝化菌Uncultured Chlorobi bacterium。本研究豐富了MFC基礎理論及其處理難降解有機廢水套用基礎研究內容，為MFC共代謝降解偶氮染料與產電技術奠定了基礎。