论文部分内容阅读
氟代硝基苯类化合物是一种新型难降解有毒有机污染物,具有"三致性’"和"脂溶性"。相比于同等结构的氯代化合物,氟代化合物的化学稳定性更高,生物毒性更强。如果这类污染物直接排放到水体中将对人类和环境造成严重危害。因此,开发一种环保、高效、经济的有机氟废水处理新工艺迫在眉睫。本论文构建生物电化学系统(bioelectrochemical system,BES)来强化氟代硝基苯类废水的处理,同时比较BES对邻氟硝基(o-FNB)、间氟硝基(m-FNB)和对氟硝基苯(p-FNB)三种不同氟取代位的单氟硝基苯降解性能的差异。此外,还探讨了 BES中生物阴极对p-FNB的还原去除、生物阳极对p-FNB氧化脱氟和电子传递机理。获得主要结论如下:(1)以p-FNB为模拟污染物,在反应器驯化到运行稳定阶段,BES去除100%的p-FNB所需要的时间为18 d,相比于微生物系统(BS)(36 d)缩短了 50%。在运行稳定阶段,BES去除p-FNB的一级动力学常数达到0.078 h-1,是BS(0.048 h-1)中的1.625倍。GC-MS结果表明,p-FNB在BES中主要通过硝基的还原去除,而在BS中则主要通过微生物降解去除。此外,在BES中富集的主要功能微生物为 Anaerolineae(20.8%),Flavobacteriia(15.9%)和 Alphaproteobacteria(14.8%),在 BS 中则主要为 Flavobacteriia(32.8%),Clostridia(24.1%)和 Ignavibacteria(19.2%)。(2)BES对o-FNB、m-FNB和p-FNB的去除和脱氟性能表现出显著差异。BES去除三种不同氟取代位的单氟硝基苯的难度分别为o-FNB>m-FNB>p-FNB。其中p-FNB在BES中的母体去除率、脱氟率以及TOC去除率分别为99.7%、50.1%和84.8%。远高于o-FNB(22.6%、3.6%和 5.4%)和 m-FNB(50.2%、5.2%和 10.7%)。量子化学结果表明,o-FNB中N原子的电荷密度最强,m-FNB其次,p-FNB最弱。氟代硝基苯还原成相应的氟代苯胺后,间氟苯胺(m-FA)脱氟需克服的势垒最强(△Eb=47.69 kcal mol-1),对氟苯胺(o-FNB)(△Eb=15.68kcal mol-1)和对氟苯胺(p-FNB)(△Eb=18.19 kcal mol-1)则差异不显著。生物群落结构结果表明,以o-FNB富集的主要功能微生物为 Proteobacteria(58.0%),Firmicute(14.0%)和 Bacteroidetes(9.6%),以m-FNB富集的主要功能微生物为Proteobacteria(47.6%),Firmicutes(19.3%)和 Bacteroidetes(10.3%),而以p-FNB 富集的主要功能微生则为 Proteobacteria(26.49%),Bacteroidetes(24.5%)和Chloroflexi(13.0%)。(3)在厌氧单室BES中,p-FNB主要通过阴极表面将硝基还原成胺基进而转化为p-FA实现母体去除,然后在阳极表面通过氧化降解p-FA实现脱氟反应,因此p-FNB在BES中的的降解矿化是生物阴极的还原和生物阳极氧化的共同作用。微生物只能以氧气作为电子受体才能降解p-FNB,但不能利用硝酸盐或硫酸盐为电子受体来降解p-FNB;在仅提供电子供体的条件下p-FNB可以实现还原转化为p-FA,但无法实现脱氟。