微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)能利用产电菌将有机物中的化学能直接转换成电能,近年来受到广泛关注.作为单室MFC的一种,沉积型微生物燃料电池(sediment microbial fuel cell,SMFC)具有结构简单,维护方便和成本低等优势,具有很大的应用潜力.但SMFC存在底泥中有机物利用率低和产电不易储存这两方面的问题,限制了该技术的实际应用.针对SMFC底泥中有机物利用率低的问题,本研究通过在SMFC阳极分别添加铁屑和铁碳包,利用零价铁(ZVI)的强还原性以及铁和碳材料形成的铁碳(Fe-C)微电解作用,提高SMFC对底物剩余污泥中有机物的利用率,强化SMFC应用于剩余污泥减量化的效果.针对SMFC产电不易储存的问题,通过在SMFC阴极修饰γ-FeOOH,用SMFC原位驱动电芬顿,充分便捷地利用SMFC产生的电能,实现海水养殖圈中除草剂的降解.在解决SMFC存在的两个问题的同时,拓展SMFC在剩余污泥处理和污染物降解的实际应用范围.本论文主要研究内容和结果如下:首先在SMFC的阳极加入铁屑(FeSMFC),强化SMFC阳极的厌氧氛围,降低阳极氧化还原电位(ORP),调节系统pH值.研究结果显示,FeSMFC中ORP稳定在-200mV以下,总化学需氧量(total chemical oxygen demand,TCOD),可溶性化学需氧量(soluble chemical oxygen demand,SCOD),挥发性悬浮固体(volatile suspended solids,VSS)和胞外多聚物的去除率相对于未添加铁屑的SMFC(NSMFC)分别提高了 177.6%,15.5%,24.4%和16.8%,ZVI的添加提高了 SMFC的污泥减量效果.FeSMFC的欧姆内阻降低了 37.0%,稳定输出电压和最大功率密度(Pmax)分别为0.39 V和11.93 W/m3,显著高于NSMFC(稳定输出电压和Pmax分别为0.14 V和2.93 W/m3).在ZVI强化SMFC进行剩余污泥减量的研究中,当ZVI和碳材料在溶液中接触,Fe-C微电解可能也发挥了提高SMFC系统性能的作用,中性条件下的Fe-C微电解对SMFC污泥减量和产电性能的影响需要进一步研究.本论文通过在SMFC 阳极加入铁碳包,设置四个对照组,考察Fe-C包对SMFC的污泥减量和产电性能的影响.实验结果发现,Fe-C包能显著促进污泥中有机质的降解.开路状态下,添加Fe-C包后反应器中污泥VSS去除率提高了 51.5%,TCOD去除率提高了 104.8%.闭路状态下,与不添加铁碳包的SMFC(NSMFC)相比,Fe-C包不接入电路(FeC-SMFC)和Fe-C包接入电路(FeCSMFC)的反应器中污泥VSS去除率分别提高了 15.3%和27.6%,TCOD去除率分别提高了67.8%和92.7%.FeCSMFC 的 Pmax为 37.28 W/m3,分别是 NSMFC 和 FeC-SMFC的Pmax的6.06和1.76倍.通过高通量测序技术发现,在FeCSMFC中,Fe-C包促进了产电菌(特别是Proteobacteria)的富集.针对SMFC存在的电能不易储存的问题,本论文采取以海泥为底物,将电能原位利用,驱动电芬顿来降解海水中残留的除草剂.SMFC的阴极修饰铁氧化物γ-FeOOH,在中性条件下驱动电芬顿反应,同时γ-FeOOH是半导体材料,模拟太阳光照射,以三嗪类除草剂莠灭净(AMT)为目标污染物,考察SMFC驱动电芬顿联合光催化降解AMT的效果,并分析这种多反应结合的系统中AMT的降解路径.实验结果显示,光照条件下,γ-FeOOH修饰碳毡为阴极的SMFC反应器(γ-FeOOH-SMFC)中AMT的去除率达98.7%,比自然降解的反应器中AMT去除率提高了 5.54倍.γ-FeOOH-SMFC的Pmax为44.6 W/m3,比无γ-FeOOH修饰阴极的SMFC反应器提高了 3.38倍,也高于黑暗条件下的γ-FeOOH修饰碳毡阴极SMFC的Pmax(34.49 W/m3).γ-FeOOH-SMFC中除了有污泥消化和SMFC的作用,电芬顿和光催化的联合作用使得阴极活性自由基的生成量增加,大幅提高了AMT的降解率.综上所述,本研究通过利用廉价易得的铁和碳材料强化了 SMFC对剩余污泥的减量化效果,并通过将SMFC原位用于驱动电芬顿联合γ-FeOOH的光催化作用实现了海水中除草剂的降解,一定程度上解决了 SMFC底泥中有机物利用率低和电能不易储存这两方面的问题,拓展了 SMFC在实际中的应用范围.
