电催化-生物电化学耦合系统处理抗生素废水的机制研究

Pharmaceutical wastewater is one of the refractory industrial wastewater. Pharmaceutical wastewater containing antibiotics can not be oxidized efficiently by traditional biological treatment due to the toxicity of antibiotics towards aerobic microorganism and high organic residues after anaerobic biological treatment.A new technology has been proposed in this investigation, which is the combination of electrocatalytic and bioelectrochemical systems (BESs) in antibiotic wastewater treatment.The antibiotic structure is initially destroyed by electocatalytic oxidation, resuling in decreasing its activity and toxicity and increasing the wastewater biodegradability. BESs are futher used to degrade the intermediate products of antibiotic oxidation and simultaneouly produce electrical energy which is collected and then applied in electrocatalytic system.Beta-lactam antibiotics are chosen as target pollutant to study the coupling technology in the process of electrocatalytic oxidation and BESs degradation.The work carried out in this research will create a theoretical basis and technical assistance to the development of antibiotics wastewater treatment with high efficiency and low energy consumption.

制药废水是最难处理的工业废水之一，特别是含有抗生素的制药废水由于废水中的残留抗生素和高浓度有机物使传统好氧生物处理法很难达到预期的处理效果，而厌氧处理高浓度的有机物又难以满足出水达标要求。本研究提出了新的工艺思路，将电化学法与生物法相结合，提出了电催化-生物电化学耦合系统来处理制药废水中的抗生素类物质，即利用电催化法的强氧化性破坏抗生素的结构，降低其活性和毒性，提高废水的可生化性，再利用生物电化学方法继续处理抗生素的电化学降解产物使其达标排放，同时收集产电微生物生成的电能，为电催化系统提供部分能量，降低废水处理电能消耗。本研究选取典型的β-内酰胺类抗生素为目标污染物，研究污染物的电催化降解和生物电化学代谢及同步产能过程耦合的关键技术问题，优化工艺的运行参数，为开发高效低能耗的抗生素废水处理新工艺提供科学依据和技术支持。

抗生素生产过程中所排放的废水由于残留的抗生素和高浓度有机物使传统生物处理法很难达到预期的处理效果，无法满足出水达标的要求。本研究针对抗生素制药废水中有机污染物含量高、毒性物质及难生物降解物质多等问题，采用电化学法与生物法相结合，提出了电催化-生物电化学耦合系统来处理抗生素制药废水。以典型的β-内酰胺类抗生素青霉素为目标物，设计了用于青霉素废水处理的电催化反应器和生物电化学反应器，确定反应器单元和电容数目，获得最优的系统电路模式，构建了高效低能耗去除抗生素制药废水的电催化-生物电化学耦合系统。对电催化法降解青霉素废水的工艺进行了研究，考察了不同初始浓度、不同电流密度条件下青霉素废水的降解规律。以水杨酸为羟基自由基捕获剂，测定了电极电催化电解过程中产生的羟基自由基的规律及相应的电催化机理。对青霉素的电催化降解途径进行了研究，得到了主要的降解产物为青霉噻唑酸、青霉素二酸、异构青霉素酸、青霉烯酸等，推测了青霉素可能的降解途径。通过对比电催化和生物电化学系统处理青霉素的降解产物发现，青霉素对生物电化学系统性能具有显著的抑制作用，BDD电极可以有效降低青霉素对阳极的抑制作用，利用BDD电极降解青霉素产物的反应器其最大功率密度比青霉素为底物的反应器提高了573%。利用高通量测序对阳极微生物群落结构分析发现，青霉素主要抑制了阳极成膜微生物的生长，降低了潜在产电菌Bacillus的含量，BDD电极降解作用可以有效缓解青霉素对阳极微生物的毒害作用。使用升压电路收集生物电化学系统产生的电能为BDD电解池供电处理青霉素废水，可以有效去除青霉素并生成对微生物毒害作用小的中间产物，提高其可生化性。本课题提出了高效低能耗的抗生素废水处理新工艺，研究了抗生素的电催化降解和生物电化学代谢及同步产能过程耦合的关键技术问题，为解决抗生素废水处理的难题提供新思路，积累基础研究数据，为实际应用奠定基础。