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硝基苯是工业废水中典型的有机污染物,在工业上广泛用于染料、药物、炸药、杀虫剂、苯胺和有机溶剂的生产。由于硝基苯具有诱变性、难生物降解性和生物蓄积性,很多国家将硝基苯列为优先污染物。硝基苯对环境和人类健康存在着巨大的威胁,在水处理工艺中,通常用厌氧生物法来处理含硝基苯的废水,但这种方法启动慢、处理效率低,而且对硝基苯的转化过程中会出现其他非理想中间产物,从而造成二次污染。因此开发能够快速有效的硝基苯废水处理工艺非常有意义。硝基苯由于硝基的存在,使得苯环的电子云向硝基偏移,因此传统的好氧方法很难将硝基苯氧化,但在厌氧条件下,硝基苯可以作为电子受体被还原成苯胺,苯胺不仅毒性远远小于硝基苯,而且易于生物降解,因此选择合理的条件,使硝基苯尽可能的转化成苯胺是去除硝基苯的关键。本研究创新性的开发了无隔膜的升流式生物电化学反应器(UBER),采用石墨颗粒作为阴极,碳刷作为阳极,阴极置于下部,污水从反应器底部流入首先流经阴极发生硝基苯还原反应,然后从阳极流出。这种设计解除了膜的限制,使反应器可以扩大化,而且大大降低了成本。阴极在下,阳极在上的设计使阴极对阳极起到了保护的作用,且有效地避免了pH梯度的形成。通过逐步提高进水硝基苯浓度的方式提高硝基苯进水负荷,通过每一负荷下的硝基苯去除率和苯胺生成率来说明UBER对硝基苯的去除效果;通过对去除速率的观察和计算得出UBER的最大处理能为。结果表明,在水力停留时间为7.2h时,UBER的最大处理速率可达到3.5 mol/m~3 TV·d (TV:总体积),硝基苯的去除效率为99%±0.05,苯胺生成率为85%±0.08。在外加0.5V电压下,电流密度达到22 A/m~3 TCV(TCV:阴极总体积)。为了优化UBER还原硝基苯的效能,本课题对影响UBER效能的关键因素进行分析。结果表明在外加电压为0.3±0.02V时,UBER仍可实现较高的硝基苯去除率。UBER可添加的最小乙酸盐浓度为0.3g/L。缓冲盐浓度为10mM时,硝基苯仍可被有效去除。为了使UBER更具有实际应用性,利用葡萄糖代替乙酸盐作为碳源,研究葡萄糖为底物时硝基苯的去除效果,结果表明,在硝基苯浓度较低时,生物作用占有相对较大的比例,阴极微生物利用葡萄糖过程中失去电子将硝基苯还原,导致此时的库伦效率高于100%;当硝基苯浓度逐渐提高时,电化学作用逐渐占主导地位,库伦效率逐渐接近100%。结果也表明,以葡萄糖为底物时,UBER对硝基苯的去除能力更强。