光电催化-生物耦合系统的构建及污染物协同降解机制

Biodegradation of recalcitrant organic wastewater containing pyridine was limited due to the poor treatment efficiency. In this project, a novel photoelectrocatalysis-based biological system is designed for the enhanced biodegradation of pyridine through the combination of photoelectrocatalysis and biological process. The highly effective and stable photoelectrocatalytic electrode with visible spectrum response will be designed. The key factors for improving the efficiency of the photoelectric catalysis will be explored to clarify the enhanced oxidation mechanism of toxic pollutants on the surface of the electrode. Photoelectrocatalysis-biological coupling system will be established for removal of recalcitrant pollutants, with the effects of operation conditions investigated. The degradation mechanism in terms of degradation pathway and electron transfer pathway will be lucubrated to reveal synergetic effect among the pollutant, photoelectrocatalysis and microbial community, providing theoretical guidance for effective treatment of recalcitrant organic wastewater.

针对难降解有机污染物废水（以吡啶废水为例）生化处理效率低下的问题，本项目设计提出了新型光电催化-生物耦合系统，通过耦合光电催化过程与生物过程强化难降解污染物的去除。通过设计具有高光电效率、可见光响应、高稳定性的光电催化复合电极，探索提高其光电催化效率的关键因素，阐明有毒污染物在电极表面的强化氧化机制；构建光电催化-生物耦合系统用于有毒有机污染物的强化去除，探究运行条件对目标污染物去除性能的影响，建立系统优化运行的调控策略；深入研究目标污染物在耦合系统内的转化路径，阐明光电催化-生物耦合系统内污染物、光电催化剂、微生物群落之间的电子转移过程及协同作用机制，建立用于强化去除有毒有机污染物的光电催化-生物耦合技术及理论。

针对难降解有机污染物废水（以吡啶废水为例）生化处理效率低下的问题，本项目设计提出了新型光电催化-生物耦合系统，通过耦合光/电催化过程与生物过程强化难降解污染物的去除。采用“电沉积-溶液浸渍”两步法半导体固定化技术，成功制备了具有高光电效率、可见光响应的钒酸铋/羟基氧化铁（BiVO4/FeOOH）复合半导体电极，重点探索了提高其光电催化效率的关键因素（如光强度、电流、pH等），阐明了难降解有机污染物在电极表面的强化氧化机制；构建了电刺激厌氧生物系统、光电-生物耦合系统用于难降解有机污染物的强化去除，探究了不同运行条件（如光强度、电流、进水负荷、HRT、电子供体用量等）对目标污染物去除性能的影响，提出了利用阳极界面产微量氧气，进而通过氧化酶的激活强化电极呼吸、有氧呼吸等多代谢通路的新方法；深入研究了污染物在半导体-生物界面的转化途径，并通过光电测试与高通量测序阐明了污染物、半导体、微生物群落之间的电子转移过程及协同作用机制，建立了用于强化去除有毒有机污染物的光电催化-生物耦合技术及理论。本研究累计发表SCI论文9篇（包括Water Research论文2篇），申请国家发明专利6项；培养博士研究生2名，硕士研究生6名。