生物电化学强化降解持久性有机污染物同步脱盐研究

Persistent organic pollutants (POPs) belong to a chemical class with the characteristics of environmental durability, high toxicity and biological accumulation, causing harm to environment and human health. Bio-electrochemical system (BES) for wastewater treatment has exhibited a great prospect, due to the advantages of energy recovery without secondary pollution. In the project, chlorinated nitrobenzene (CNB) is selected as target compound. Here, “Photosynthesis-enhanced bio-electrochemical degradation of CNB” is performed for the first time, aiming to build a synergism between the cathodic reduction and anodic oxidation with microbial community, elucidate the electrochemical reduction mechanism, and implement the efficient degradation and power generation based on the analysis of microorganism composition. Simultaneously, membrane capacitive deionization (MCDI) is suitable to treat high salinity water, and the energy consumption can be compensated by the electricity in situ of BES. Thus, a new and energy self-sufficient seawater desalination process based on BES coupled to MCDI will be established. It is expected to provide scientific evidence for the potential application of BES in POPs degradation and seawater desalination.

持久性有机污染物是一类具有环境持久性、高毒性、生物累积性的特殊污染物，给环境及人类健康造成严重危害。生物电化学实现污水处理的同时回收能源，是一种极具应用前景的水处理新技术。本项目以氯代硝基苯为代表性污染物，开展光合细菌辅助生物电化学强化降解氯代硝基苯的研究，旨在复合共生菌群作用下，通过强化阴极还原与阳极氧化的协同作用，建立氯代硝基苯彻底矿化的调控策略；阐明复合生物-电化学体系对氯代硝基苯的还原特性与作用机理；分析阴、阳极的生物优势群落结构，实现氯代硝基苯的高效降解同步高效产电；基于膜电容去离子适合处理高含盐量的海水，且其能量需求与生物电化学系统的原位产能相匹配，提出生物电化学耦合膜电容去离子技术的能量自给的海水淡化新工艺，为生物电化学降解持久性有机污染物同步实现海水淡化的潜在应用提供科学依据和技术基础。

氯代硝基苯广泛地作为工业合成的中间体，在工业废水中的排放浓度高达200 mg/L。其化学性质稳定，被我国、美国环保署、欧洲环境署列为优先控制污染物。传统处理工艺已不能满足当今节能降耗、循环经济发展需求。.生物电催化是目前最具发展和应用前景的废水处理新技术。首先，本研究建立了生物电化学、厌氧、电化学平行实验装置，考察了其对污染物降解速率、脱毒性能的影响。结果表明污染物的降解过程遵循一级动力学原理，生物电化学工艺的降解速率（1.80 h-1）不仅高于传统电化学（0.40 h-1）、厌氧工艺（0.74 h-1），而且比国际同类技术水平高ca. 6.83倍。其次，在生物电化学工艺基础上，研究了电场强度、COD、盐度、离子缓冲强度等对污染物还原性能的影响。研究发现污染物的降解速率随着电场强度（0~0.8 V）、离子强度（0~100 mM PBS）的增加先增加后减小，COD的去除率随着初始浓度的增加从65.7%减小至45.7%，但氯代硝基苯的脱毒率均可达到98%以上，其浓度适宜范围可扩大到40~120 mg/L；然盐度的增加对氯代硝基苯的降解有明显的抑制效应。采用气质联用技术分析可能的中间产物，结合高通量测序分析主要功能微生物为Propionimicrobium, Desulfovibrio, Halanaerobium, Desulfobacterales，提出氯代硝基苯可能的降解路径如下：氯代硝基苯快速转化为氯代苯胺，然后限速步骤下氯代苯胺脱氯生成苯胺，苯胺依托Desulfobacterales的对位羧基化脱氨的特征功能转化为更加低毒的苯甲酸类衍生物。.此外，采用辊压工艺制备了NiFe2O4型的复合电容平板电极，结果表明该物质极大地降低了微生物与电极间的胞外电子传递速率，极化电阻减小了39%，能量输出过程中无性能逆转现象存在，BES的最大功率密度（806.4 mW/m2）输出提高了26%，推其原因一方面是由于NiFe2O4的赝电容性质提升了电荷电荷存储能力，保障了性能的稳定性，另一方面NiFe2O4有效地促进了异化铁还原菌的富集。需要特别提出的是Aulenta等研究指出导电性的磁铁矿可以通过促进微生物的种间电子传递过程加速三氯乙烯脱氯还原过程。这可能为我们提供了一种思路：铁氧体是否可以解决氯代硝基苯的还原脱氯限制问题,促进后续氯代硝基苯的高效脱毒同步脱盐研究呢？