硝基芳香烃污染物转化为绿色能源过程中的传递特性及强化机制

A novel bioelectrochemical-anaerobic granule system is developed for nitroaromatic compounds degradation and methane recovery, which presents novelty, academica and application value in the fields of wastewater resourcezation, environmental protection and renewable energy. With anaerobic granule as research object, the project targets on disclosing internal complicated structure, basic transfer discipline and characteristics, and subsequently investigating its effect on nitroaromatic compounds degradation and methane recovery. The field of fluid and concentration inside/around the anaerobic granule will be detected by using microelectrode and thus the spatial and time distribution of flux will be determined. Meanwhile, the internal complicated structure of anaerobic granule will be characterized by means of confocal laser scanning microscope (CLSM) technique and mathematically modeled, The relationship between anaerobic granule transfer discipline and pollutants degradation will be established, which will further provide theoretical support for practical application.

本项目立足于有机工业废水资源化和能源化领域的国际前沿性科学问题，以硝基芳香烃污染物定向转化为绿色能源甲烷为目标，提出生物电催化与厌氧生物颗粒耦合新工艺；以生物颗粒为研究对象，揭示生物颗粒在外加电压条件下形成及成熟后的内部复杂网络结构、基本传递规律及传递特性，探索不同操作条件下对硝基芳香烃污染物定向转化产甲烷过程的影响。采用微电极测量技术探测生物颗粒内部与周边流场及浓度场信息，确定通量的空间和时间分布，同时采用多重荧光染色技术探测生物颗粒内部复杂结构，建立生物颗粒内部传递特性与传质阻力分布规律的内在关联，揭示传递过程与污染物定向转化甲烷过程的耦合机制，基于生物颗粒的定向传递强化过程，提出污染物高效转化甲烷的调控机制，为实际应用提供理论依据。

本项目立足于有机工业废水资源化和能源化领域的国际前沿性科学问题，以硝基芳香 烃污染物定向转化为绿色能源甲烷为目标，构建电化学-生物电催化-膨胀颗粒污泥床一体化反应器（ES-BES-EGSB），实现硝基苯的高效去除并回收甲烷。探索生物颗粒的传质特性对硝基芳香烃污染物定向产甲烷的作用规律，强化污染物的定向转化和能源回收，为生物电催化与厌氧生物颗粒耦合新工艺的开发提供理论支持。此外，以牛血清白蛋白（BSA）模拟废弃生物质蛋白组分，研究外加电压驱动（0.6V）对不同浓度蛋白质厌氧消化各阶段的强化效能，并分析了外电压驱动对群落结构演替规律及胞外直接电子传递（DIET）通路构建的作用机制。结果表明：外电压驱动不影响水解阶段，外电压驱动后对挥发酸利用效率和产甲烷速率得到提升，以5 g/L蛋白质为底物条件下挥发酸利用速率和产甲烷速率分别提升了78.9%和73.8%；在降解高浓度蛋白质且反应器发生酸败的情况下，外电压驱动能提升反应器的酸败阈值，产甲烷总量也提升了225%；挥发酸利用效率提升源于胞外电子直接传递路径的构建和阴阳极电势的改变，通过外电路电子衡算发现外电路电子传递的理论产甲烷量为96.05 mL，仅占总产气量的10%；而通过对外电压驱动前后群落结构分析，发现阳极产酸发酵菌的平均丰度提升了46 %，阴极嗜氢型产甲烷菌Methanobacterium的丰度占比由10.4%提升至84.3%，体系产甲烷途径由嗜乙酸型向嗜氢型发生改变，外电压驱动后，功能菌群的定向富集作用或是产甲烷效能提升的主要因素。