零价铁与静态磁场对电活性人工湿地废水净化及生物发电的协同效应

作     者：施倩楠 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孔强

授予年度：2024年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：电活性人工湿地 零价铁 静态磁场 协同作用 

摘      要：人工湿地（Constructed Wetlands,CW）具有强大的水体净化功能,能够吸收、转化和净化湿地水体中的有毒有害物质。电活性人工湿地（Electroactive Constructed Wetlands,EW）能够在净化水体的同时,利用微生物将有机物中的化学能转化为电能,实现能源回收。但是因为电活性人工湿地存在反应缓慢、能源回收效率低等问题。本研究在电活性人工湿地的基础上加入了零价铁（Zero-valent Iron,ZVI）和静态磁场（Static Magnetic Field,SMF）,探究了零价铁和静态磁场作用下电活性人工湿地的产电性能变化,以及COD（Chemical Oxygen Demand,COD）、总氮（Total Nitrogen,TN）、氨氮（Ammonia Nitrogen,NH-N）、总磷（Total Phosphorus,TP）的去除效率。运用微生物宏基因组分析方法探究系统群落内微生物的种类和数量变化,辅助分析产电和有机物降解的机理。主要结论如下: （1）在EW中引入SMF可有效促进氧还原反应,降低内阻。SMF作用于微生物群落可以促进阳极EAB的富集和电子转移相关基因的表达,从而降低内部扩散阻力。近20天,EW-Z和EW-ZS系统电压均呈下降趋势。这是因为细胞膜表面的铁相关沉淀物降低了细胞与外界环境之间电子交换的效率。从阳极铁屑中释放的电子和铁离子可以促进生物发电。细胞膜表面的铁相关沉淀物降低了细胞与外界环境之间电子交换的效率。SMF可以通过提高微生物的酶活性和代谢效率来增强生物电化学反应,从而降低内阻。外磁场产生的洛伦兹力可以通过影响细胞电子在介质和导电毛上的传递效率,增加电子向电极转移的概率,从而增强微生物的电化学反应,因此,较少的EAB数量可以获得更大的生物电输出。 （2）ZVI能显著提高NH-N的去除效率,SMF在此基础上加强了这种效应。微生物在TN的去除中发挥了重要作用。产品中的Fe（Ⅲ）能在电池表面形成致密的氧化膜,物理上阻断NO进入电池,降低脱氮效率。此外,阳极处的SMF可能会加速该涂层的形成速度。自由电子有沿磁感应线方向移动的倾向。ZVI和SMF对COD的去除率均有促进作用。ZVI可以作为催化剂提高COD去除效率。磁场可以干扰细胞膜两侧的电位差,从而增强细胞膜的渗透性,提高COD的去除效率。 （3）细菌特异性增强,EAB数量显著增加。表明铁的引入对微生物进行了针对性筛选,导致与铁相关的功能微生物数量增加（即微生物特异性增强）,不适应铁的微生物数量减少（即微生物多样性减少）。此外,SMF有效避免了ZVI环境中微生物的过度筛选,保持了环境中微生物的多样性,有利于整个系统长期有效稳定运行。阴极的微生物指标低于阳极,这也证实了污染物的去除主要发生在阳极。阴极作为阳极的电子受体,与阳极形成一个体系,因此阴极和阳极α分异指数的数据趋势呈现相似的规律。微生物群落β多样性分化方向主要受阳极填料中ZVI的影响,SMF的影响较小。