生物电化学系统中硫化物与有机质的竞争与共代谢机理研究

Sulfide is a typical kind of toxic, corrosive and malodorous pollutant which is commonly found in soil and water and coexists with different kinds of environmental organics. It can lead to deterioration of water quality, and the inhibition of anaerobic treatment processes. Bioelectrochemical systems (BES) can oxidize sulfide with energy recovery, thus receiving extensive attention nowadays, while little attention is concerned on the role of the coexisted organics. The mechanism of organic matters on sulfide oxidation has not been clarified. In this study, the mechanisms of the competition and cometabolism of sulfide and organics in BES will be investigated. The principles of collaborative degradation of sulfide and organics over time and space will be studied with GC/MS, TOC analyzer, electrochemical workstation, ion chromatography, XPS et al. By employing PCR, DGGE, the involved microbes will be discussed as well as the physiological and biochemical characteristics of the typical micro-organisms. Moreover, the anodic electrode will be activated by ammonia and nitric acid as well as deposited by electroplating and electron beam injection to improve its performance and evaluate the interactions among the electrode, microbes, and sulfide. Based on co-metabolic degradation kinetic theory, the specific degradation process will be simulated with Matlab, Fluent and the mechanism model will be built. This study will provide theoretical support to simultaneous removal of sulfide and organics in BES.

硫化物具有很强的毒性、还原性和腐蚀性，可导致水质恶化，并对厌氧水处理过程造成抑制，且其常与不同类型的有机物共存于土壤、水体等介质中。生物电化学系统可以在处理硫化物的同时收获电能，受到广泛关注，但对共存的有机质关注较少，有机质对硫化物氧化的影响机制尚不清楚。本项目拟以硫化物和典型环境有机物为复合基质，研究其在生物电化学系统中的竞争与共代谢机理，借助GC/MS、TOC仪、电化学工作站、离子色谱、XPS等分析两者随时间和空间的协同降解规律，采用PCR、DGGE等研究参与此过程的微生物群落，探讨典型微生物的生理生化特征，采用氨气、浓硝酸活化与电镀、电子束喷射等手段，对传统阳极材料进行改性，提高其抗硫化物污染性能，探究其与硫化物、微生物的相互作用机制，采用Matlab、Fluent等软件模拟降解过程，借鉴共代谢降解动力学理论，构建机理模型，为生物电化学系统协同处理硫化物与有机物提供理论支持。

本项目以硫化物和典型环境有机物为复合基质，研究其在生物电化学系统中的竞争与共代谢机理。首先考察了硫化物和葡萄糖复合基质在自主开发的连续流折流板微生物燃料电池中的竞争与共代谢过程，硫化物和COD的去除率分别为70%和54.6%，总输出电压可达到2.87 V，串联时最大功率为201 mW/m2，并联时最大功率密度为265 mW/m2，通过产物分析得知硫化物被氧化为硫单质和硫酸盐，且电化学和生物氧化起主要作用，群落分析表明阳极表面良好的细菌多样性，其中包括了产电菌和与硫相关的细菌，此结果有助于揭示在硫化物和有机质在微生物燃料电池中的协同代谢过程及主要的驱动机制。此后采用垂直向二氧化钛和三氧化二铁纳米线层对普通碳毡阳极进行改性。48h运行后，结果显示，硫化物去除率（90%）得到了提升，最大功率密度分别提高了1.53倍和1.36倍，改性之后的电极提供了更多的微生物附着活性位点，增加了生物量密度，高通量16S rRNA基因测序结果分析也表明了微生物多样性的增加。Bacteroidetes是典型的产电微生物和Planctomycetacia是主要的硫化物去除微生物，在使用改性阳极的MFC中这两种微生物量均得到显著提升，厌氧发酵细菌如Firmicutes微生物量减少，表明改性材料可以应用于微生物燃料电池去除硫化物和有机质并产电。随后将改性电极活化后，根据BBD响应曲面实验方法，选取硫化物浓度，COD浓度和外电阻为主要考察因素,设计了三因素三水平响应曲面实验并结合方差分析技术检验了该预测模型的拟合度，结果表明模型预测良好（R2均大于0.9），并显示硫化物与COD浓度属于竞争关系，交互性较强。本研究明晰了硫化物和有机质在生物电化学系统的去除规律，确定了该系统中的功能微生物，并采用改性阳极提高微生物燃料电池的性能，构建机理模型，阐释硫化物和有机物作为复合基质的生物电化学系统的运行规律，对于开发新的环境友好型及产能型的污染修复技术，保障水资源安全及高效利用，具有重要意义。