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生物电化学系统(Bioelectrochemical system,BES)可以利用阴阳极氧化还原电子传递机制实现污染物去除和电能回收。以富含有机物的污水污泥作为BES的阳极底物,可以长期、持续和稳定地输出电子,实现污水污泥在BES中的降解并产电。现行的以还原Cr(VI)为目标的BES,普遍由葡萄糖或乙酸盐等人工添加营养液作为电子供体,缺乏在相对长时间内持续、稳定提供电子的能力,且需要在运行中频繁更换,不利于阴极Cr(VI)的稳定还原和系统成本的降低。以污水污泥为阳极底物、Cr(VI)为阴极电子受体的BES中,阳极室内产生稳定的电子流驱动Cr(VI)还原,阴极具有高Cr(VI)还原电势提升功率密度,污泥降解和六价铬还原同时实现,但该系统的运行效能和机制尚需深入研究。本文构建了以污水污泥为阳极底物、Cr(VI)为阴极电子受体的生物电化学系统,以期同时实现污泥的降解和Cr(VI)的还原。具体研究内容包括:从系统构型、污泥性质、阴极液p H和Cr(VI)浓度等四个方面,考察化学阴极BES的产电效能、污泥降解效能和Cr(VI)还原效能,并分别得到各效能最优的运行条件;构建生物-化学双阴极BES以提高系统还原Cr(VI)的稳定性;分析微生物群落、功能基因和系统电子通量的分布变化,揭示BES的运行机制。在以剩余污泥为阳极底物的化学双阴极BES中,阴极液p H为2的条件下,当Cr(VI)浓度为150 mg/L时,BES可产生最大功率密度,为9.8±0.4 W/m3;当Cr(VI)浓度为25 mg/L时,BES对Cr(VI)的还原率最高,为98.3%~99.9%;当Cr(VI)浓度为75 mg/L时,BES具有最大的污泥胞外生物有机质(Extracellular biological organic matter,EBOM)降解率,为77.0±3.8%。在生物-化学双阴极BES中,当污泥TCOD=22307±694 mg/L、阴极液Cr(VI)浓度为300 mg/L、p H=1时,BES获得最大功率密度,为9.6±0.5 W/m3;当污泥TCOD=10769±321 mg/L、阴极液Cr(VI)浓度为60 mg/L、p H=2时,BES对Cr(VI)的还原率最高,为98.6%~99.5%。系统构型和污泥性质影响化学阴极BES的运行效能。增加BES的质子交换膜面积和阴极面积,可以降低BES的欧姆内阻和活化内阻,提高BES的最大功率密度(3.5~4.2 W/m3),产电效能的提升进一步增加了BES的TCOD去除率(37.2±0.4%)。膜面积和阴极面积的增加,提升了BES的阴极反应活性和质子传递通量,从而加快了Cr(VI)的还原反应。由于剩余污泥比脱水污泥具有更高的含水率、更低的污泥浓度,当剩余污泥作为阳极底物时,BES具有更低的传质内阻和更高的最大功率密度(5.8~6.5 W/m3);剩余污泥中有机物的水解过程比脱水污泥更快速和有效,其TCOD去除率达46.2±3.4%。阴极液p H值和六价铬浓度对化学双阴极BES效能的影响显著。当阴极液p H值从4降低到2时,阴极电极反应的活性增强,阴极液的导电性提升,阴极内阻降低。当p H为1时,Cr(VI)的还原时间最短(96~262 h),还原率最高(96.3%~98.0%),最大功率密度也最高(5.8~6.3 W/m3),对EBOM降解率最大(72.3±0.7%)。升高阴极液Cr(VI)浓度促进系统的产电,表现在阳极生物膜中产电菌在属水平上的相对丰度增加,阳极室内产生电子中用于产电的比例增加,而不利于系统产甲烷,主要的产甲烷酶基因相对丰度降低;反之,利于系统产甲烷,阳极生物膜中主要产甲烷菌的数量降低,阳极室内产生的电子用于产甲烷的比例增加。对生物-化学双阴极BES运行效能与机制的研究结果表明,生物-化学双阴极BES在Cr(VI)还原效能和产电效能方面有所提升。生物-化学双阴极BES的Cr(VI)还原时间较化学阴极BES短,在对Cr(VI)还原的三个运行周期内,其电压始终保持在0.672 V以上,污泥TCOD去除率较化学阴极BES高18.2%。在影响生物-化学双阴极BES运行效能的各因素中,污泥TCOD越高,Cr(VI)还原速率越快,功率密度越高;阴极液Cr(VI)浓度越高,Cr(VI)还原速率越快;系统内阻值随p H降低而降低,最大功率密度随p H降低而增加。在生物-化学双阴极BES的运行机制研究中,相比于化学双阴极BES,生物阴极和化学阴极的联合作用保证了产电作用的稳定进行,提高阳极生物膜中以Geobacter spp.为主的产电菌的相对丰度,增加系统电流和用于Cr(VI)还原的电子量,促进污泥有机物的降解。其中生物-化学双阴极BES的Cr(VI)还原反应为一级反应,动力学常数k值随化学阴极液Cr(VI)浓度的升高而增加,随p H升高而减小,降低阴极液p H主要是降低了阳极的扩散阻抗和阴极溶液电阻、化学阴极的扩散内阻和电荷传递电阻。本研究针对生物电化学系统降解污泥与还原六价铬所取得的研究成果,尤其采用生物-化学双阴极生物电化学系统降解污泥和还原六价铬的方法,可为污泥和含铬废水的处理提供新的思路和技术手段。