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水体/沉积物微生物电化学系统构建及其净化效能研究

李鹤男  
【摘要】:受污染的沉积物是水体最主要的内源污染源之一,因此在水体修复的过程中不仅要注重水质状况的改善,还要关注底质的改善。针对水体及沉积物的修复,传统的物理、化学和生物的修复方法在取得一定效果的同时,也存在治理不彻底、成本偏高等技术瓶颈。微生物电化学系统(Microbial Electrochemical Systems,MESs)用于水体和沉积物修复有许多优势,值得被继续开发和推广,但是MESs应用于水体沉积物修复存在系统放大后性能下降,系统构型待优化等问题,限制了推广和应用。本论文以MESs用于水体及沉积物修复为目的,通过构建不同体积的底栖微生物电化学系统(Benthic Microbial Electrochemical System,BMES)和植物微生物电化学系统(Plant Microbial Electrochemical System,PMES),进行阳极结构优化和生物阴极构建。将立体结构阳极用于BMES系统并分析其用于水体沉积物修复的效能;构建中试体积的BMES系统并考察水体沉积物修复效果;通过植物与生物阴极耦合构建了更加节能高效的PMES系统,研究了植物对于微生物电化学系统性能提高的作用机制;基于阴/阳极的优化和中试运行经验对BMES进行了放大并用于水体修复的场地实验。首先构建了三维立体结构阳极,并与平面阳极结构进行修复效果对比,考察了阳极的结构、阳极铺设深度和铺设面积对BMES系统运行效能的影响。研究发现,不同阳极结构构建的反应器出水TOC含量均低于10 mg/L,符合《地表水环境质量标准》中Ⅳ类水体水质标准,对比发现立体结构阳极有利于降低BMES中腐殖质等污染物含量,立体结构阳极用于BMES反应器可以更好地控制上层水体的水质。立体结构阳极构建的BMES对于沉积物中TOC和TN的去除效率比其他反应器高20%~30%。本研究表明“立体结构阳极”构建的BMES系统在修复水体过程中对于水质、底泥中污染物的去除效率和系统的产电效能均具有明显优势。利用“立体结构阳极”,分别构建了195 L和370 L两个中试体积BMES系统。首先构建并运行体积为195 L的BMES及对照反应器,考察系统对水体及沉积物内源污染的修复效果。结果表明BMES中沉积物TOC的去除速度是其他方法(对照)的1.2~6.9倍,沉积物TN的去除速度是其他方法(对照)的8.7~18.2倍,证实了BMES系统相对于其他修复方法能明显加速水体及沉积物中污染物的去除。进一步构建体积为370 L的BMES反应器并上层水体投加有机污染物,以考察BMES用于水体沉积物内源污染和外源污染同步修复效果和污染物去除规律。结果发现单个周期(18天)内,370 L的BMES系统水体中TOC从400 mg/L下降到40±2 mg/L,BMES中沉积物PAHs去除率高达74%,获得最大功率密度63±3m W/m~2。针对BMES系统用于水体沉积物修复过程中存在空气阴极性能不稳定和性能下降等问题,构建与植物耦合的生物阴极,并考察其(PMES)系统运行效能。构建的生物阴极PBES系统中TOC和TN去除率分别达到了97%和85%,并且PMES系统获得了0.83 W/m~3的最大功率密度,高于对照45%以上。通过根系分泌物及微生物群落结构等分析发现,PMES系统中根系分泌物数量种类优势明显间接说明植物耦合对于该系统的促进作用,微生物群落结构分析发现PMES系统生物阴极中氮还原和产电相关细菌占总群落的比重明显高于自然体系。利用植物耦合生物阴极构建的PMES中污染物去除效果较好,可提高废水中有机物的降解和能量的产生,为生物阴极的设计和节能提供了思路和方法。开展了户外条件下BMES系统的构建和应用研究。将生物阴极与生态浮岛耦合,在室外体积为8 m~3的水池内构建并运行BMES系统。在户外条件下以V类水体水质运行,系统对COD去除率为61.90%,NH_4~+-N去除率63.26%,NO-3-N去除率4.92%,TN去除率5.79%,TP去除率为39.26%,系统内水质达到地表Ⅳ类水体水质标准。监测得到最大功率密度为4.1 m W/m~2,极化曲线显示阴极的电极电位变化幅度相对更大,阳极性能相对更加稳定。构建的BMES系统能有效用作用于水体及沉积物修复,初步证实了其用于水体及沉积物修复的可行性。为MESs作为一种绿色技术用于水体和沉积物修复提供了研究思路和技术支持。


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