生物电催化-水解酸化耦合强化难降解废水预处理新工艺及机制

水解酸化可以作为难降解有机废水的"生物预处理"环节，改善废水的可生化性，提高废水的总体处理效率。但是，由于微生物对抗废水毒性、抑制物、酸碱度的能力存在一定局限性，系统运行过程容易失稳甚至恶化。本研究旨在构建一种生物电催化与水解酸化过程相耦合的一体式新工艺，目的是利用生物电催化的辅助作用，强化难降解废水的生物预处理效果。本研究拟探讨生物电催化过程与水解酸化过程耦合的关键技术要点，确定系统优化匹配条件和关键设计参数，建立一体式新工艺的优化设计模式；通过考察废水水质调整、操作条件优化与增强废水预处理效果的关联性，确定耦合工艺在强化难降解废水预处理过程中的操作要点和定向调控措施。同时，通过解析生物电催化辅助下难降解污染物的降解途径和转化历程，揭示生物电催化对水解酸化作用的促进机制和诱导作用，阐明生物电催化-水解酸化耦合新工艺强化废水生物预处理的作用机制，为指导废水处理应用提供理论依据和技术基础。

本课题紧密围绕项目申请书的内容系统的开展了研究，针对难降解废水的预处理，开发出多种生物电催化新型装置及生物电催化-水解酸化耦合装置，对多种难降解废水，如含硝基苯废水、偶氮染料废水、含抗生素类废水等，实现了高效的脱毒矿化处理，对不同的工艺形式进行了设计参数和运行条件的优化，对不同物质的转化途径进行了深入的分析，并对微生物对污染物的代谢和电子传递机制进行了解析。研究结果达到了预期的目标，并获得以下创新成果：.（1）.开发了无隔膜的升流式生物催化电解反应器（UBER）与好氧生物接触氧化联合工艺，实现了有毒难降解污染物（如：硝基苯、偶氮染料）的高效去除，并对联合工艺的运行参数包括电极大小、水力停留时间（HRT）等进行了优化；.（2）.在UBER的基础上设计了套筒式生物电化学反应器，大大提高了阴极和阳极的接触面积，减小了反应器内阻；同时对该反应器的电极排布形式进行了优化；.（3）.通过开发新型一体式厌氧折流板-生物电催化工艺（ABR-BES），实现了生物电化学装置的规模放大，并大大提高了偶氮染料废水的脱色效率和脱色速率，实现了高速厌氧的工艺理念，得出生物电催化可以促进低浓度染料的去除，并能影响电子传递过程的结论；.（4）.发现了生物阴极能够将硝基芳香烃定向还原为毒性较小的芳香胺，并通过动力学模型的构建和循环伏安分析进一步揭示了硝基芳香烃在生物阴极上的转化特征以及微生物从阴极上获得电子的过程； .（5）.发现了氧气的引入能够有效提升阳极电极微生物从硝基苯的还原产物苯胺获得电子的能力，为生物电化学系统生物阴极-生物阳极联合矿化硝基芳香烃类污染物提供了实验基础；.（6）.利用高通量测序技术系统解析了生物阴极的微生物群落结构，并进一步通过功能基因芯片技术阐释了阴极微生物在不同碳源和电子供体压力下，其基因水平的响应策略。