人工湿地型微生物燃料电池与生物膜电极耦合系统去除难降解有机物的效能及机理

The constructed wetland (CW) and microbial fuel cell (MFC) both have great potential in the purification of refractory organics and they could be integrated smoothly in the structure. In this proposal, we will develop a constructed-wetland type microbial fuel cell (CWMFC). In addition, the bio-film electrode reactor (BER) will be used as pre-treatment of CWMFC, which simultaneously use the electrical energy produced by CWMFC. On one hand, the biodegradability of refractory organics could be improved by BER unit based on the electrochemical and bio-electrochemical effects and, on the other hand, the removal efficiency of refractory organics and the electricity production of CWMFC could be promoted. Thus a coupled system BER-CWMFC can be formed. Based on our previous research, we will take the generation and utilization of electricity as the connection to realize the transform and removal of refractory organics by BER and CWMFC, tackling the effective combination of electrochemical, bio-electrochemical and microbial reactions. We aim to elucidate the mechanisms of transformation and degradation of refractory organics and electricity generation through matter flow and energy flow analysis as well as microbial analysis. We also attempt to explore and then master the favorable conditions which make the electrochemical and bio-chemical purification cooperated effectively. We will finally establish a theory system and an application method to maximize and stabilize the collaborative purification effect and the electricity production of CWMFC.

利用人工湿地（CW）和微生物燃料电池（MFC）对难降解有机物的净化潜能以及二者在构造上可相互融合的优势，构建全新的人工湿地型微生物燃料电池（CWMFC）；并将生物膜电极（BER）作为CWMFC的前处理，既利用了CWMFC产生的电能，又通过BER单元的电化学和生物电化学作用，提高其可生化性，促进后继CWMFC单元对难降解有机物的去除效果和同步产电性能，形成BER-CWMFC耦合系统。课题拟在已有研究的基础上，以电能的产生与利用为纽带，以实现BER和CWMFC对难降解有机物的转化和去除间的耦合，以及电化学、生物电化学和微生物反应的高效耦合为突破口，从物质、能量流分析及微生物学等方面，阐明对难降解有机物的转化、去除和产电机理，探索并掌握提高其电化学、生物化学等协同净化效应的条件，建立有利于系统中各单元充分发挥各自功能、并使系统协同净化、产电效能最大化和稳态化的理论、方法及应用模式。

本课题由A部分“人工湿地型微生物燃料电池（CWMFC）对难降解有机物去除及同步产电特性的研究”、B部分“生物膜电极（BER）对难降解有机物转化特性的研究”和C部分“BER-CWMFC系统耦合研究”组成。. A部分的研究中，课题组率先在国际上提出了由植物-活性炭阴极以及活性炭阳极组成的无质子交换膜的CWMFC构型，并成功地在人工湿地（CW）中构建了能够长期稳定运行的CWMFC系统，成功达到了CWMFC对偶氮染料X-3B去除并同步产电的目的。CWMFC可以有效提高X-3B的脱色率35.0%左右，提高COD去除率23.0%左右，脱色率和 COD去除率最高分别可达91.2%和90.4%。阴极种植的植物能够通过提高阴极溶解氧从而有效提高CWMFC的产电。X-3B脱色主要在CWMFC阳极中进行，研究也首次发现在CWMFC空气阴极中X-3B能够被还原脱色。. B部分的研究中，课题组成功构建了一体化BER装置，与单独的生物反应器相比，BER对X-3B有更好的脱色效果。同时，课题组进一步构建了三维BER装置，可有效提高高污染物浓度条件下X-3B的脱色率。研究表明，X-3B在BER脱色还原中被降解为小分子量易生物还原物质，为后继在CWMFC单元中进一步去除提供了有利条件。 . C部分的研究中，课题组率先在国际上提出并成功构建了CWMFC单元和BER单元串联耦合系统，以MFC单元产电来供给BER单元。这种耦合系统不仅可以有效提高两个单元对X-3B的脱色效率，通过系统耦合后系统整体X-3B脱色率提高29.9%以上。. 在系统的理论研究和机理分析的基础上，本研究构建了全新的CWMFC系统，利用MFC的产电促进难降解有机物的降解，并同时为BER供电；利用BER提高难降解有机废水的可生化性，促进CWMFC单元对难降解有机物的去除效果和同步产电性能；通过CWMFC、BER的有序组合，以电能的产生与利用为纽带，实现了对难生物降解有机物去除在反应过程和反应类型上的有效耦合，充分发挥了电化学、生物电化学和微生物反应的协同净化效应。