[发明专利]一种完全生物调控的硝基酚强化电化学降解方法

说明书

技术领域

本发明涉及了一种微生物燃料电池应用，更具体的说是完全生物调控作用下实现硝基酚强化降解的生物电化学技术。

背景技术

微生物燃料电池(microbialfuelcell)是利用微生物(产电菌)的催化作用，将燃料(有机物质)的化学能直接转化为电能的一种生物电化学装置。附着在电池阳极的微生物氧化有机物质，放出质子和电子；电子通过外电路传递至阴极，质子通过质子交换膜传递至阴极；电池阴极的电子受体接受电子，完成整个产电过程。传统的微生物燃料电池研究多数着眼于系统产能的提高，然而该技术应用于废水处理领域时，在维持稳定产电的同时开展对污染物的降解、去除的研究更具有实际意义。废水处理是公认的微生物燃料电池最有前途的应用领域。

硝基酚是化工废水中极具代表性的一类有毒、难降解物质，因现有的生物电化学技术降解此类物质通常采用化学阴极还原，需要外部输入电能强化还原过程，增加了能耗；同时还原产物氨基酚仍需做后续处理，方能实现硝基酚的完全降解。针对此类污染物的处理，亟待开发经济有效的新技术。

发明内容

硝基酚类物质的生物电化学还原过程中通常需要外加电能进行强化，并未能对硝基酚进行完全矿化。本发明拟采用硝基酚在完全生物调控的微生物燃料电池中进行生物阴极还原、生物阳极氧化的顺序处理，在无需外加电能的条件下实现硝基酚的生物强化电化学降解。

实现发明目的的具体技术方案为：

一种完全生物调控的硝基酚强化电化学降解方法，采用双室型微生物燃料电池反应器，包括启动期和运行期，启动期首先在阳极室的电极液中接种厌氧污泥，阳极室封闭、阴极室采用空气阴极运行方式，以乙酸钠为阳极碳源，驯化阳极菌群在碳布上形成生物膜，使反应器进入稳定运行；之后停止阴极曝气、在阴极室的电极液中接种厌氧污泥，并按每个反应周期向阴极室加入浓度由低至高的对硝基酚，以碳酸氢钠为阴极碳源，驯化阴极菌群在碳布上形成生物膜；启动期结束后进入运行期，在阳极室中加入乙酸钠作为阳极碳源及电子供体，进行阳极氧化反应，阴极室加入待处理的硝基酚及无机碳源碳酸氢钠，进行硝基酚阴极还原反应，之后将硝基酚阴极还原产物转入阳极再次进行氧化反应。

所述的对硝基酚的浓度范围在0.1-0.9mM之间。

所述的启动期和运行期内的反应器的操作温度为30℃。

启动期和运行期内乙酸钠的加入量以COD计为1000mg/L。

所述的待处理的硝基酚的浓度为25-100mg/L。

所述的启动期和运行期内碳酸氢钠加入量为10mM。

所述的电极液由如下组分组成：NaH₂PO₄.2H₂O5.6g/L、Na₂HPO₄.12H₂O6.07g/L、NH₄Cl310mg/L、KCl130mg/L，及微量元素：FeCl₃·4H₂O2g/L、CoCl₂·6H₂O2g/L、MnCl₂·4H₂O0.5g/L、CuCl₂·2H₂O0.03g/L、ZnCl₂0.05g/L、H₃BO₃0.05g/L、(NH₄)₆Mo₇O₂₄·2H₂O0.09g/L、Na₂SeO₃·4H₂O0.1g/L、NiCl₂·6H₂O0.05g/L、EDTA1g/L和HCl(36％w/w)1mL/L。

本发明原理：

硝基酚物质结构上存在吸电子基团-硝基，导致苯环上的电子云密度降低，因而更易受到亲电子攻击，具有被还原降解的可能性。硝基酚还原后形成的氨基酚毒性降低、可生化性提高，具有被氧化降解的可能性。微生物燃料电池中，阴极接受来自阳极基质氧化放出的电子，是一个理想的有机物还原场所；阳极可在微生物的催化作用下发生有机物失电子氧化反应。本发明中，硝基酚首先在电池阴极室进行阳极微生物菌群催化的电化学还原反应，生成还原产物氨基酚；之后在电池阳极室进行阴极微生物菌群催化的氨基酚的后续电化学氧化反应，以上述两步反应实现硝基酚物质的生物强化电化学降解。