【摘 要】
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在众多生态修复的工艺方法中,人工湿地的研究和应用受到广泛关注,但其仍未满足污染物深度处理的工艺要求,亟需对人工湿地技术进行深入的了解和创新。随着生物电化学技术的理论的发展,衍生出微生物燃料电池和微生物电解池等构型。本文以人工湿地耦合生物电化学为主要方法,研究水体污染物去除转化过程。本文研究不同基质的人工湿地-微生物燃料电池对污染物的产电去污效果;同时探索以磁黄铁矿作为基质的不同电化学强化人工湿地:
【基金项目】
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水体污染控制与治理科技重大专项“白洋淀与大清河流域（雄安新区）水生态环境整治与水安全保障关键技术研究与示范”项目（2018ZX07110-003）；
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在众多生态修复的工艺方法中,人工湿地的研究和应用受到广泛关注,但其仍未满足污染物深度处理的工艺要求,亟需对人工湿地技术进行深入的了解和创新。随着生物电化学技术的理论的发展,衍生出微生物燃料电池和微生物电解池等构型。本文以人工湿地耦合生物电化学为主要方法,研究水体污染物去除转化过程。本文研究不同基质的人工湿地-微生物燃料电池对污染物的产电去污效果;同时探索以磁黄铁矿作为基质的不同电化学强化人工湿地:人工湿地微生物燃料电池（CW-MFC）、人工湿地微生物电解池（CW-MEC）和人工湿地微生物电解池与燃料电池耦合的性能并对功能菌群进行分析。取得主要研究结论如下:1、采用钢渣、海绵铁和磁黄铁矿三种不同的基质构建生物电化学强化型人工湿地,海绵铁-MFC获得的最大功率密度（11.025 m W/m2）优于磁黄铁矿-MFC（2.048 m W/m2）、钢渣-MFC（0.091 m W/m2）。三者差异明显,这些结果归因于基质电子传导性质的不同,海绵铁-MFC内阻相较其他两种基质内阻更低,海绵铁具有更优良的电子转移通道。2、三种基质的CW-MFC系统和传统人工湿地系统运行60 d,对比各基质在系统中去除效果。从各污染物的去除率可知,电化学过程强化了微生物利用碳源产生的电子,增强了COD去除效果。TP的去除可以通过基质的吸附沉淀、微生物吸收代谢以及电化学过程中基质的铁离子的释放再沉淀过程去除。海绵铁-MFC的污染物去除性能优秀,但海绵铁基质促进了异养反硝化的过程。耦合电化学系统中的MFC产生的电流供给MEC进行电解反应,并不直接介导给阴极附近的异养还原氨功能微生物。耦合系统的优势在于产电与MEC使用的能量自持形式的污染物去除模式。3、微生物群落结构分析表明:从微生物群落分析可知MFC组与CW组的多样性差别较大,MFC组对电活性微生物、硫氧化菌、硫还原菌的选择性富集能力强,对COD的去除能力强,这与MFC组的产电性能正相关。根据LEFse分析可知,MFC组的特异性微生物比CW组少,说明MFC组的微生物功能更加集中,这与特征微生物的菌群丰富对应。磁黄铁矿基质的CW-MFC较CW-MEC的物种复杂度更高,CW-MEC和CW-MFC两组与CW相互重合,说明CW-MEC和CW-MFC的部分微生物群落和功能与CW有本源相似性。由RDA分析可知TP的去除与硝态氮和氨氮无显著相关性,TP的去除与COD、总铁的浓度有着正相关关系。综上所述,本论文研究了不同基质的MFC和不同类型的电化学强化装置对水体中污染物的去除效果,系统地揭示了生物电化学构型对污染物去除的转化过程和耦联机制,为更高效地利用生物电化学技术强化水体生态修复修复提供关键信息,为大规模集成型人工湿地-生物电化学系统在实际污染水域的应用提供了重要参数。
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