聚吡咯覆膜改性电极对氢自养反硝化和产甲烷电极生物膜反应器的影响

摘要

电极生物膜法作为将生物膜法和电化学法联合而发展起来的污水处理技术，近年来越来越受到研究者们的关注。其所具有的优势有:生物膜微生物固定生长且生物量较大;电化学电极过程拥有高效的氧化还原能力;电极与微生物之间具有较高传质速率。随着生物电化学反应器的发展，涉及到生物电化学反应器的电极改性被广泛研究。有研究报道，改性电极运用到生物电化学反应器中可以提高反应器性能。
　　本论文探究利用电化学聚合方法在碳纤维毡电极上制备聚吡咯(polypyrole，PPy)的聚合效果，并利用傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared，FTIR）及扫描电镜(SEM)对其进行表征;将改性后的碳纤维毡电极应用到电极生物膜反应器(BiofilmElectrode Reactor，BER)中，考察电极改性对电极生物膜反应器性能的影响并研究聚吡咯覆膜改性电极对生物膜附着量、胞外聚合物成分及生物膜微生物群落的影响。
　　结果表明，以25 mM AQDS（蒽醌2，6-二磺酸钠）为掺杂剂的恒电压电化学聚合能够在碳纤维电极表面形成均匀稳定的聚吡咯膜，实现聚吡咯在碳纤维毡电极上的覆膜改性。改性后的电极应用到电极生物膜反应器中，可使自养反硝化反应器对NO3--N的去除效率由对照反应器的67.3％增加到83.9％，处理效果提高了24.7％;可使产甲烷反应器COD去除率较其对照反应器最高增加约18％，甲烷产量较其增加了约3倍。
　　对两种反应器内电极生物膜进行生物量测定和扫描电镜分析，可以看到应用聚吡咯覆膜改性电极的R2反应器中改性电极生物膜附着量均明显多于对照反应器R1中未改性电极生物膜的附着量，说明电极改性有利于生物膜的附着。生物膜胞外聚合物蛋白质和多糖的测定结果说明，电极改性有助于提高胞外聚合物的含量和蛋白质及多糖的比例，从而提高生物膜的活性及其强度和稳定性。
　　氢自养反硝化电极生物膜微生物16SrDNA分析结果表明聚吡咯覆膜改性电极生物膜的优势菌为Hydrogenophaga sp.（噬氢菌属）和Thauera sp.（陶厄氏菌属），不同于对照电极生物膜菌落组成中的优势菌属Dechloromonas sp.，并且其生物膜的菌落组成更多样化。产甲烷电极生物膜微生物古菌16S rDNA分析结果表明两反应器电极生物膜菌落组成中优势菌属均为Methanosarcina sp.（产甲烷八叠球菌），聚吡咯覆膜改性电极生物膜的优势菌属其次为Methanomicrobia sp.（产甲烷微菌），而对照电极生物膜优势菌属其次为Methanobacterium sp.（产甲烷杆菌），两反应器微生物菌属组成有明显差异。这说明电极材料的改性对电极生物膜微生物群落的组成产生了影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 氢自养反硝化电极生物膜技术

1．1．1 硝酸盐氮的污染与治理

1．1．2 电极生物膜反硝化工艺原理

1．1．3 电极生物膜反硝化的产生与发展

1．2 产甲烷电极生物膜技术

1．2．1 产甲烷机理

1．2．2 产甲烷菌概况

1．2．3 产甲烷电极生物膜的发展

1．3 电极改性

1．3．1 高分子聚合物覆膜改性

1．3．2 聚吡咯的制备

1．4 研究目的、内容及技术路线

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

1．4．3 研究的技术路线

2 实验材料和方法

2．1 实验材料

2．1．1 实验装置与方法

2．1．2 实验进水

2．1．3 实验药品及试剂

2．1．4 实验仪器设备

2．1．5 实验主要试剂盒及引物

2．2 实验方法

2．2．1 实验主要试剂配制

2．2．2 实验主要参数分析测定方法

2．2．3 生物膜微生物菌群多样性分析

2．2．4 16S rDNA系统发育树的建立

3 改性电极的制备与表征

3．1 改性电极的电化学制备

3．1．1 聚合方法对聚合效果的影响

3．1．2 掺杂剂对聚合效果的影响

3．2 改性电极的表征

3．2．1 改性电极的电化学表征

3．2．2 改性电极红外光谱分析

3．2．3 改性电极扫描电镜分析

3．3 本章小结

4 电极改性对氢自养反硝化电极生物膜反应器的影响

4．1 氢自养反硝化电极生物膜反应器运行效果分析

4．2 氢自养反硝化生物膜附着量分析

4．3 氢自养反硝化生物膜EPS蛋白多糖含量分析

4．4 氢自养反硝化电极生物膜生物相分析

4．5 本章小结

5 电极改性对产甲烷电极生物膜反应器的影响

5．1 产甲烷电极生物膜反应器运行效果分析

5．1．1 反应器COD去除率分析

5．1．2 反应器产气及出水挥发性脂肪酸(VFA)分析

5．2 产甲烷生物膜附着量分析

5．3 产甲烷电极生物膜EPS蛋白和多糖含量分析

5．4 产甲烷电极生物膜生物相分析

5．5 本章小结

6 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢