基于电子原位传导利用的人工湿地有机污染物强化降解机制及其受堵塞的影响

To promote the removal of organic pollutants dramatically by the in situ consuming of electrons is an emerging perspective in microbial fuel cell-constructed wetlands (MFC-CWs), and the key bio-electrochemistry processes must be clarified. This study will focus on in-situ electronic conductions and utilizations of electrons, degradation processes of organic pollutants and its interruption mechanisms by clogging. The main work of this project will be (1) to achieve the in situ electronic conductions by filling the vertical flow MFC-CWs with carbonaceous materials, and then to investigate the biological electrochemical characteristics using self-potential methods in geophysics and CV, EIS methods in electrochemical workstation; (2) to understand degradation processes of organic pollutants and to find its correlations with electrochemical characteristics ; (3) to determine the interruption mechanisms of clogging for electrochemical performance by accumulated solid compositions analyses, combining with the character of microbial community during the accumulated process by high-throughput, CLPP and SEM methods. The results will be helpful for the removal performance upgrade in constructed wetlands.

以电子的原位消耗换取有机污染物降解速率的极大提升是微生物燃料电池人工湿地（MFC-CWs）研究的新视角，阐明以电子为媒介的污染物降解过程是问题的关键。本项目着力研究MFC-CWs产电特征与电子原位传导利用规律、电场驱动下有机污染物的降解机制，以及堵塞对生物电化学过程的阻抑效应三个重要过程。内容包括：（1）床体填充碳质填料使正负极短接，构建电子原位传导利用途径，利用自然电场法、CV、EIS等手段研究系统生物电化学特征、原位电场演变规律及其影响因子，揭示产电密度提升途径；（2）分析系统有机物代谢规律及空间分布特征，查清电化学性能与污染物降解过程的相关性，明确降解性能强化机制；（3）利用高通量测序、CLPP、SEM等技术查明堵塞形成过程功能微生物演变规律，结合对固体颗粒物累积特征及产电性能的相关分析，厘清堵塞对电子原位传导及系统净化性能的阻抑效应。研究成果有助于推进人工湿地降解性能的全面升级。

以电子的原位消耗换取有机污染物降解速率的极大提升是微生物燃料电池人工湿地(MFC- CWs)研究的新视角，阐明以电子为媒介的污染物降解过程是问题的关键。本项目开展了导电填料的筛选及电子原位传导人工湿地（MFC-CWs）构建及结构优化，研究不同水力负荷及有机负荷条件下有机物的降解规律、生物电化学特性及填料、植物及微生物的作用机制，探讨了颗粒物累积过程对MFC-CWs性能的影响。结果显示：焦炭材料的电阻率低且稳定，能够在构建的上向流人工湿地系统中形成自然电场，最大EPs为605-780 mV，显著高于石英砂湿地系统（275-334 mV），EPs与COD去除率呈显著正相关。MFC-CWs中能在较短HRT（24h）条件下，实现较高有机负荷（1183±42g/㎡·d）COD的去除，去除率达到85%以上，EPs达445±37mV，相同条件下，MFC-CWs对COD的去除效果比石英砂湿地高16-21%。植物的存在有利于电势差的形成及污染物的去除，提高了Coke CWs系统对聚合糖、脂类、醇类和羟酸类的利用率。曝气对于强化系统电化学特性贡献不大，不同填料对比发现，海绵铁虽然导电性较好，但由于其强还原特性，极大的影响了系统微生物种群数量及丰度，其性能反而最差。焦炭MFC-CWs中电活性菌相对丰度为5.79%，其在石英砂系统中仅占1.87%。颗粒物累积过程对MFC-CWs系统性能的影响实验表明，不溶解颗粒物附着在填料表面，导致孔隙率降低，有效体积降低15%-25%，影响填料之间的接触性，导致MFC-CWs床体电阻缓慢增大，电压逐渐减小，体积功率密度也逐渐减小，Coke-N平均电阻增大到2.5倍，EPs降低30%，床体体积功率密度降低85%，MFC-CWs系统电化学特征受颗粒物累积过程影响显著，使各人工湿地系统对污染物去除率均呈现逐渐下降的趋势。