【摘 要】
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微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell,MEC）通过原位产氢实现自养脱氮,具有环境可持续的优点。石墨毡和不锈钢网等常见MEC电极材料具有价格低廉、化学稳定性好的优点,但其表面生物相容性和有效吸附位点量还需进一步优化以提高MEC运行效果。本文利用壳聚糖（chitosan,CS）、壳聚糖/还原氧化石墨烯（chitosan/reduced graphene oxide,CS
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微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell,MEC）通过原位产氢实现自养脱氮,具有环境可持续的优点。石墨毡和不锈钢网等常见MEC电极材料具有价格低廉、化学稳定性好的优点,但其表面生物相容性和有效吸附位点量还需进一步优化以提高MEC运行效果。本文利用壳聚糖（chitosan,CS）、壳聚糖/还原氧化石墨烯（chitosan/reduced graphene oxide,CS/rGO）材料改性石墨毡和不锈钢网电极,探究改性电极对MEC运行效果的影响。研究内容和结果如下:本文首先通过自养驯化的方式获得群落结构稳定的脱氮微生物,并对群落结构组成、脱氮途径、不同电流强度下的脱氮性能和能耗进行研究并选择较优电流强度用于后续实验。结果表明,本系统自养脱氮微生物以兼性自养副球菌属（Paracoccus）和陶厄氏菌属（Thauera）为主要组成;脱氮途径包括物理吸附、电化学还原、同化脱氮和自养反硝化,其中以微生物利用氢气发生自养脱氮过程为主;MEC脱氮符合零级反应动力学,低电流强度时脱氮速率与电流强度呈正比,电流强度大于30 m A时,系统脱氮速率随外加电流强度增大而降低;对比脱氮速率和运行成本,选择4 m A电流强度为较优电流条件,此时系统运行成本为36.8元/kg N、脱氮速率为0.95 mg·L-1·h-1。本文以石墨毡电极和不锈钢网电极为基体,利用CS和CS/rGO材料通过冰凝诱导自组装法制备改性电极。表征结果表明,CS改性后电极表面呈现三维网状结构,电极电阻增大;CS/rGO改性电极表面在三维网状结构基础上出现较多“褶皱”,电极粗糙度明显增大,有效位点量明显增多,电极导电性提高。本文将改性电极应用至MEC中研究电极改性对系统氮素去除性能及生物膜的影响。结果表明,经CS/rGO改性的电极表面附着生物量较多、生物活性较高,其脱氮性能优于未改性电极;在电流强度为4m A,进水硝态氮浓度为35 mg/L条件下,以CS/rGO改性的石墨毡电极为阴极的反应器稳定脱氮时的脱氮速率较以CS改性的石墨毡电极为阴极的反应器同时期的脱氮速率提高15.66%,较以未改性的石墨毡电极为阴极的反应器同时期的脱氮速率提高33.33%;以CS/rGO改性的不锈钢网电极为阴极的反应器稳定脱氮时的脱氮速率较以CS改性的不锈钢网电极为阴极的反应器同时期的脱氮速率提高19.78%,较以未改性的不锈钢网电极为阴极的反应器同时期的脱氮速率提高87.93%。综上,本文实验结果表明,以CS/rGO对电极进行改性有利于提高电极表面生物相容性和有效附着位点量,从而优化MEC自养脱氮的运行效果。
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