生物钯-氢基质生物膜反应器的脱氯研究

Widespread uses of organochlorine contaminants, pose serious threat to the ecosystem and human health due to their toxicity and carcinogenicity. Due to some shortages of high cost, low efficiency, and incomplete degradation of dechlorination function with palladium catalyst or hydrogen-based membrane biofilm reactor(MBfR) to treat organochlorine contaminants separately, this study will employ MBfR coupled with biological palladium (bio-Pd) catalyst to achieve high efficient removal and breakdown of organochlorine compounds, as well as catalyst activity preservation. Trichloroethylene (TCE), chlorine phenol (CP) and pentachlorophenol (PCP) will be chosen as target organochlorine compounds, and their dechlorination features in MBfR will be investigated as the goal pollutants. The effect of biological palladium catalyst on target contaminants removal will be investigated. Meanwhile, the microbial community composition and structures, as well as underlying relationship between microbes and removal efficiency of organochlorine contaminants will be explored. Morphology, distribution and valent states of nano-palladium under different conditions as well as effect of membrane pore size on formation of nano-palladium will also be studied. Mathematical model of organochlorine compounds removal in biological-palladium system will be established based on experimental data, which will be used to predict chemical compositions of by-products during chlorination. The study will provide insights to effective and green approaches for treating organochlorine contaminants.

有机氯污染物是典型的毒性致癌物质，其广泛应用严重威胁着生态环境安全和人类健康。本项目针对钯催化和氢基质生物膜反应器 (MBfR)在有机氯化合物脱氯过程中分别存在的成本过高和效率低、降解不彻底等不足，拟将生物钯和MBfR技术相耦合，实现对有机氯化合物的高效、彻底矿化去除，同时延缓生物钯的失活。研究以三氯乙烯、一氯苯酚和五氯苯酚为难降解目标污染物，探究MBfR去除有机氯化合物的特征；考察生物钯的引入对MBfR去除有机氯化合物性能的影响，鉴定体系微生物群落结构，解析微生物与去除效果的内在联系；探究不同条件下生成钯的形态、分布和价态；研究不同孔径的膜对纳米钯形成的影响；建立生物钯去除有机氯化合物体系的数学模型，推测污染物脱氯过程的化学组成变化趋势，为该类污染物的治理提供高效、清洁途径。

水中的有机氯化物多数属于持久性难降解有机物（POPs），对其去除是国内外研究的热点。生物钯耦合氢基质膜生物膜反应器（MBPfR）去除该类污染物是以氢气为电子供体、以有机氯化物为电子受体，无二次污染。本项目在传统的氢基质膜生物膜（MBfR）的基础上进行改进，采用生物钯耦合氢基质生物膜技术，在单一反应器系统内实现纳米钯的制备和固定、氢气的传输以及有机氯化物的去除，具有良好的应用前景。.本项目研发了新型MBPfR，并对其进行了系统的研究。生物钯形成实验结果表明，氢基质生物膜对钯离子的还原率大于99%；钯离子形成生物钯的过程可分为两步，一是生物膜的吸附过程，二是酶催化还原钯离子的过程；形成的生物钯纳米颗粒分布在生物膜内，平均粒径约为5 nm。这验证了生物钯耦合生物膜技术的可行性。与常规钯催化剂的反应器相比，尤其是纳米形态的催化剂形成所需要的高温高压或者添加各种化学物质的条件相比，成功地利用氢基质生物膜在温和的条件下使用制备纳米钯并将其分散和固定。.本项目通过MBPfR对2,4-二氯酚（典型的有机氯化物）的还原实验研究其反应动力学参数，并分析MBPfR还原2,4-二氯酚过程中纳米钯颗粒和微生物各自的作用。结果表明，只有将生物钯与生物膜耦合才能完全降解氯酚类污染物，而单纯的生物膜反应器不能降解中间产物4-氯酚以及钯膜反应器不能降解产物苯酚，而且MBPfR的还原速率是最大的。证明了MBPfR还原2,4-二氯酚的过程是纳米钯颗粒催化和微生物还原协同作用的结果，且2,4-二氯酚主要是在生物钯的催化作用下被氢气还原成苯酚，而少量2,4-二氯酚以及所有苯酚是在微生物的作用下进一步被降解。分子生物学研究结果发现钯的加入也使得生物膜中具有金属还原及代谢相关的酶丰度增加。.为了便于针对特定处理要求设计反应器运行工况，本项目基于MBPfR对2,4-二氯酚的还原动力学研究结果建立数学模型预测污染物进水浓度、反应器进水流量对MBPfR出水中污染物浓度的影响。实际数据和模型结果都显示，当反应器在适宜进水流量下运行时，可以实现2,4-二氯酚对最高的去除通量和去除率，且无中间产物（2-氯酚和4-氯酚）的积累。