论文部分内容阅读
NOx是我国当前正在致力于解决的大气污染问题之一。选择性催化还原（SCR）是目前烟气脱硝的主流技术，但存在催化剂易中毒、运行费用高、易导致二次污染等缺点。亚铁螯合剂（以Fe(Ⅱ)EDTA为代表）对NO具有特异吸收作用，可快速与烟气中NO结合形成Fe(Ⅱ)EDTA-NO，被认为是一项非常有希望的烟气脱硝方法。但亚铁螯合剂的再生要消耗大量的有机物或能量，急需开发物质和能量消耗更少的再生方法。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是利用微生物将有机物中化学能转化为电能的一种电化学装置，可以同步实现有机污染物的去除和高效产电。本论文利用了MFC的这一特点，将废水的处理与亚铁螯合吸收NO产物的再生过程相耦合，利用废水中蕴含的化学能驱动亚铁螯合剂的再生和同步产电。实验分别考察了不同的电池外阻、阴极溶液pH值和阴极溶液初始浓度对Fe(Ⅱ)EDTA螯合吸收NO产物（Fe(Ⅲ)EDTA和Fe(Ⅱ)EDTA-NO）的还原特性和MFC产电性能的影响；在MFC阴极引入微生物来强化电池的整体还原和产电性能，并通过分子生物学方法对MFC反应器涉及到的微生物进行分析和鉴定；初步探讨了Fe(Ⅱ)EDTA-NO在化学阴极和生物阴极条件下的产电和还原过程。研究结果表明：（1）将NO螯合吸收产物Fe(Ⅲ)EDTA和Fe(Ⅱ)EDTA-NO作为MFC阴极电子受体，推动燃料电池运行，再生Fe(Ⅱ)EDTA是可行的，并同步产电。（2）化学阴极条件下，阴极液pH对Fe(Ⅲ)EDTA和Fe(Ⅱ)EDTA-NO在阴极的还原和MFC产电性能影响明显。低pH会使Fe(Ⅲ)EDTA由络合形态向自由离子转化，提高阴极初始电位；而Fe(Ⅱ)EDTA-NO的还原需要质子的参与，较低的pH同样可以增强电池性能，pH=5.0时MFC运行的最大电流密度和功率密度分别是19A/m~3、2.02W/m~3明显高于pH=7.0时的11A/m~3、1.28W/m~3。（3）相比于化学阴极，生物阴极对Fe(Ⅲ)EDTA和Fe(Ⅱ)EDTA-NO的还原和电池产电均有明显的促进作用。铁还原生物阴极MFC的输出电流在0.5mA左右，比化学阴极的0.34mA高出47%，电池内阻从191.2下降到138.4，同时也加快了Fe(Ⅲ)EDTA的还原效率，以1mM的初始阴极溶液浓度为例，生物阴极MFC在4小时Fe(Ⅲ)EDTA的还原率达到约80%，比普通化学阴极高出将近20%；NO还原生物阴极MFC对Fe(Ⅱ)EDTA-NO的还原能力以3小时取样为例，还原率达到68%明显高于化学阴极的52.7%。（4）对生物燃料阳极、Fe(Ⅲ)EDTA生物阴极、Fe(Ⅱ)EDTA-NO生物阴极中的微生物进行分子生物学测定，发现阳极产电微生物主要是丛毛单胞菌属（Comamonas sp.）和贪铜菌（Cupriavidus basilensis）；Fe(Ⅲ)EDTA生物阴极的优势菌种是苍白杆菌属（Ochrobactrum sp.），丛毛杆菌属（Comamonas sp.）和红球菌（Rhodococcus ruber）；Fe(Ⅱ)EDTA-NO生物阴极除了有反硝化菌种Azonexus和寡养单胞菌属（Stenotrophomonas sp.）之外，还有大量的铁还原菌种苍白杆菌属（Ochrobactrum sp.）。（5）MFC对Fe(Ⅱ)EDTA-NO的还原过程，在化学阴极条件下会出现一定量的Fe(Ⅲ)EDTA累积，而生物阴极中并未发现这一现象。主要由于Fe(Ⅱ)EDTA-NO生物阴极有31.4%铁还原菌种的存在，加速了Fe(Ⅲ)EDTA的还原过程。同时，反硝化菌直接将部分Fe(Ⅱ)EDTA-NO还原成Fe(Ⅱ)EDTA。