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随着世界人口的增长和城市化进程的加快,城市生活污水产量与日俱增。目前,城市污水处理厂(WWTPs)多采用生物处理工艺,在处理过程中会产生大量的剩余污泥,不仅给生态环境造成负担,其中含有的丰富的生物质能也无法被提取利用。剩余污泥微生物燃料电池(SMFC)能够原位利用污泥中生物质能产电和减少污泥产量,但连续运行困难,处理效率较低。此外,剩余污泥中吸附的抗生素等难以生物降解的污染物质,还会随污泥利用和减量过程释放,对水环境造成二次污染。抗生素在水环境中长期存在,不仅对生物产生毒性作用,而且能够诱导抗性细菌和抗性基因的产生。针对以上问题,本论文首先构建了膜过滤耦合斜板剩余污泥微生物燃料电池(InPSMFC),实现了连续污水处理、污泥减量和产能。另外,利用SMFC产生的电能驱动电芬顿(E-Fenton)过程,构建SMFC-E-Fenton系统。该系统一方面利用阳极反应提取剩余污泥中生物质能产电、减少污泥产量和解吸污泥中抗生素,另一方面通过阴极还原反应产生芬顿试剂,降解水中抗生素,实现剩余污泥减量的同时将产生的电能原位利用于污水和污泥两相抗生素的同步去除。本论文的具体研究内容和结果如下:首先在SMFC反应器中部设置斜板多阳极,加速污泥沉淀、减少污泥产量并提高SMFC产电效率。同时,在阴极内部设置中空纤维膜组件过滤出水,提高出水水质,并利用阴极电场和斜板阳极的阻隔作用减轻膜污染。研究发现,InPSMFC的内阻仅为未加斜板的普通SMFC的47.7%,最大功率密是它的2.1倍。污泥减量速率达到8.24×10-6 kg d-1,是普通SMFC的1.5倍。膜的总过滤阻力降低了 33.8%。COD去除率和硝态氮去除率分别达到95.8%和83.5%。在验证SMFC生物质能产电和污泥减量效能的基础上,利用产生的电能原位驱动E-Fenton反应去除难生物降解的抗生素。芬顿反应在SMFC阴极发生,为提高阴极催化性的稳定,本研究制备负载γ-FeOOH催化剂的石墨烯聚丙烯酰胺碳化气凝胶电极(γ-FeOOH GPCA),将其用作E-Fenton阴极处理磺胺甲恶唑(SMX)废水。结果表明,γ-FeOOH GPCA电极具有高导电性、高孔隙率、高电化学活性表面积(EASA)等特征。对氧化石墨烯(GO)添加量、催化剂添加量和外加电流强度进行优化后,SMX的降解和矿化率分别为100%和93.8±0.8%。与γ-FeOOH碳毡(γ-FeOOH CF)为阴极的E-Fenton系统进行相比,γ-FeOOH GPCA的催化性能更稳定,经5次运行后,SMX降解率和TOC降解率仍可分别达到99.9±0.1%和84.7±1.1%。在SMFC阳极污泥减量以及E-Fenton阴极降解抗生素的基础上,将γ-FeOOH GPCA催化电极引入SMFC中,并利用SMFC产电驱动E-Fenton过程,构建SMFC-E-Fenton系统。SMFC阳极在利用污泥中生物质进行污泥减量和产电的同时解吸污泥中抗生素,E-Fenton过程则在阴极原位利用电能并降解抗生素。经40 h处理,SMFC-E-Fenton系统降解SMX和诺氟沙星(NOR)时,系统内污泥分别减少了 6.2±0.3%和5.7±0.8%,SMX和NOR的降解率分别达到97.4±2.9%和96.1±3.0%。与厌氧消化过程相比,污泥中SMX和NOR残留量由10.2±1.5%和31.3±1.8%分别降至1.1±1.2%和3.1±1.3%。此外,SMFC-E-Fenton系统中阴极E-Fenton反应还能够提高SMFC的产电性能。处理SMX和NOR时,系统最大功率密度分别达到472.2±11.5 mW m-2和431.4±15.6 mW m-2,与无芬顿反应的SMFC系统相比,分别提高了 28.1%和25.1%。研究结果表明,SMFC-E-Fenton系统在原位利用SMFC产生的电能和污泥减量的同时,实现了污泥和污水两相中抗生素的去除。