CN111302448B - 一种Shewanella驱动电芬顿反应处理高浓度工业污水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Shewanella驱动电芬顿反应处理高浓度工业污水的方法，以具有铁还原特性的电活性细菌作为电子传递的媒介，通过生物呼吸作用提高芬顿反应过程中Fe(III)还原为Fe(II)的效率，处理的有机工业污水的污染物浓度为mg/L级别，显著提高污染物的降解率和矿化率，通过对Fe电极制备和Shewanella菌培养，以及决定于二者作用关系和效率的结合方式的改进，实现了在有机工业废水中通过Shewanella驱动了电极表面Fe(III)还原为Fe(II)，并且提高了·OH的生成及电芬顿氧化污染物的效率，强化了Fe催化剂的可持续循环利用。

Description

一种Shewanella驱动电芬顿反应处理高浓度工业污水的方法
技术领域
本发明属于高浓度工业污水处理领域，具体涉及一种Shewanella驱动电芬顿反应处理高浓度工业污水的方法。
背景技术
芬顿技术是一种典型的高级氧化技术，即利用H2O2与Fe2+反应生成强氧化剂·OH，能氧化各种难生物降解的有机化合物，以达到去除污染物的目的。然而，芬顿技术需要投入大量的H2O2和Fe2+，运行成本较高。此外，芬顿反应对运行条件要求苛刻，容易产生铁泥，造成二次污染的问题。
电芬顿技术能够通过电化学反应原位产生H2O2，避免了传统芬顿反应中H2O2运输和储存困难的问题。生物电化学系统(BES)是一种新兴的废水资源化技术，利用微生物以有机物作为代谢基质并将电子传递至胞外的特性，同时实现了污染物降解和电能回收。在BES阳极表面培养电化学活性微生物，可驱动阴极氧气还原产生H2O2，即传统的电芬顿体系中电活性微生物只具有驱动H2O2及其相关活性物种这一单一功能。传统的电芬顿技术在处理废水时具有显著的局限性：一、强氧化物种的产生需要严苛的酸性条件；二、由于Fe(III)在电芬顿体系中的还原速率显著低于Fe(II)氧化相关的系列反应，导致铁泥发生累积，涉及到铁泥回收和出水深度处理的问题。传统电芬顿体系Fe(II)/Fe(III)的循环效率对H2O2转化为强氧化性的·OH具有关键作用，对污染物降解效率有显著影响。芬顿链式反应当中，Fe(III)被还原为Fe(II)的初始反应是以H2O2为还原剂的，其反应速率常数仅为0.01～0.02mol-1·L·s-1，远低于·OH的生成速率常数76mol-1·L·s-1。由此可见，Fe(III)的还原是芬顿反应的限速步骤，如何提高Fe(III)还原为Fe(II)的反应速率是提高芬顿反应效率的关键问题之一。
铁还原特性的电活性细菌Shewanella以有机物作为碳源和电子供体，经三羧酸循环等代谢途径产生的电子，可以通过4种机制传递至非溶性铁氧化物使其还原为Fe(II)：直接接触(如细胞色素C)；细胞附属物(如纳米导线)；电子穿梭体(如黄素)；螯合物促溶(如高铁载体)。Shewanella在-0.3V～0V(vs.SHE)的氧化还原电位窗口内可发生胞外电子传递，而Fe2O3表面由Fe(3d)轨道构成的导带电势为+0.28V(vs.SHE)。因此，在Shewanella细胞异化呼吸过程中通过有机物氧化产生的电子，可通过多种机制注入到Fe2O3表面由Fe(3d)轨道构成的导带，从而将Fe(III)还原为Fe(II)。所以，理论上电活性微生物Shewanella具有驱动Fe(III)还原为Fe(II)的能力，从而有可能提高电芬顿体系产生强氧化活性物种的能力。这一可能性在Shewanella促进天然水环境中污染物的生物自净效率的研究工作中得到佐证：Grossman课题组发现天然水环境中ShewanellaoneidensisMR-1在中性PH时还原Fe(III)为Fe(II)，使天然水环境中产生·OH的速率提高了5倍左右；Sekar课题组研究工作表明，ShewanellaoneidensisMR-1在自然环境中，通过促进Fe(III)还原而强化了1,4-二恶烷、纤维素、石油泄漏物(芘、蒽)等污染物的降解。目前关于Shewanella加速Fe(III)还原为Fe(II)研究工作仅在模拟自然环境中得到佐证，且研究工作中涉及到的污染物浓度均为ug/L级别。
在污染物浓度高(mg/L)和对微生物有损伤，且不易完全降解矿化的工业污水中，Shewanella加速Fe(III)还原为Fe(II)还未能实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种Shewanella驱动电芬顿反应处理高浓度工业污水的方法，其所涉及到的电芬顿体系中，Shewanella菌既能参与Fe(III)/Fe(II)循环过程解决铁泥产生的问题，也能参与到产H2O2的过程，驱动芬顿反应的持续进行，实现在高浓度工业污水处理过程中生物铁还原与生物电芬顿技术的耦合。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种Shewanella驱动电芬顿反应处理高浓度工业污水的方法，其步骤如下：
步骤一、将纳米Fe2O3颗粒和碘单质分散于丙酮中并超声分散得到混合液，将两块平行放置的电极相向浸没在混合液中并在之间加以10-30V的偏压，使纳米颗粒在电极表面沉积量达到1～2mg/cm2后，将带有Fe2O3颗粒的电极在400℃下煅烧30min；
步骤二、将Shewanella划线在固体Luria-Bertani/Agar平板上，30℃培养箱中活化菌株，然后挑单菌落接种到LB液体培养基中富集生长，所述的LB液体培养基为10g/LNaCl、5g/L酵母提取物和10g/L胰蛋白胨，180rpm/min好氧摇床30℃下培养约16h至稳定期中后期，冷冻离心收集细菌培养物，离心条件为4℃，5000rpm，5min，弃去上清液，再用乳酸盐溶液冲洗，所述的乳酸盐溶液为10mMC3H5O3Na、50mMPBS、50mMNa2SO4、2mMKCl和5mMNH4Cl混合，然后再离心，重复三次；最后用乳酸盐溶液重新悬浮已洗净的菌体，使OD600为1.5左右，得到菌悬液；
步骤三、工作电极为步骤一中得到的带有Fe2O3颗粒的电极，对电极为铂片，参比电极为Ag/AgCl电极，鲁金毛细管尖端靠近工作电极，另一端与Ag/AgCl电极接触，所述的Ag/AgCl电极浸没在饱和KCl溶液中，电池安装好后加入乳酸盐溶液和步骤二中得到的菌悬液，充氮气半小时；将电池与恒电位仪相连，对工作电极施加+0.2VvsAg/AgCl电势，在30℃下恒温培养，用恒电位仪记录i-t曲线；电流先升高后降低，接近零时更换培养基；如此六个周期后在带有Fe2O3颗粒的电极上培养出稳定的Shewanella生物膜；
步骤四、将铂片换为碳毡，即可开始处理高浓度工业污水，参比电极为Ag/AgCl电极，恒电位仪控制阳极电势，通过空气泵向体系内通入空气，反应过程中控制溶解氧浓度为1～3mg/L。
作为本发明更优的技术方案，步骤四中所述的电极面积：反应器体积＝1cm2：10～30mL，电极间距为5～10cm。
作为本发明更优的技术方案，步骤一中所述的将两块平行放置的电极相向浸没在混合液中并在之间加20V的偏压。
作为本发明更优的技术方案，步骤四中所述的反应过程中控制溶解氧浓度为3mg/L。
有益效果如下：
本发明提供的方法处理的有机工业污水的污染物浓度为mg/L级别，显著提高污染物的降解率和矿化率，通过对Fe电极制备和Shewanella菌培养，以及决定于二者作用关系和效率的结合方式的改进，实现了在有机工业废水中通过Shewanella驱动了电极表面Fe(III)还原为Fe(II)，并且提高了·OH的生成及电芬顿氧化污染物的效率，强化了Fe催化剂的可持续循环利用。
本发明提供的方法以具有铁还原特性的电活性细菌作为电子传递的媒介，通过生物呼吸作用提高芬顿反应过程中Fe(III)还原为Fe(II)的效率，可在pH为7的条件下强化Fe(III)还原这一限速步骤。
附图说明
图1是本发明的Shewanella驱动电芬顿反应处理难降解废水结构示意图；
图2是空白电极(blank)、培养生物膜的电极(S)、负载Fe2O3的电极(F)、负载Fe2O3后培养生物膜的电极(F/S)体系中的苯酚降解率的对比图；
图3是空白电极(blank)、培养生物膜的电极(S)、负载Fe2O3的电极(F)和负载Fe2O3后培养生物膜的电极(F/S)体系中的COD降解情况对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细说明。
实施例1：Fe2O3的负载。
将0.8mg/mL的纳米Fe2O3颗粒和0.2mg/mL的碘单质分散于丙酮中并超声分散30min。电泳前将该混合物搅拌均匀，将两块平行放置的电极(如导电玻璃)相向浸没在混合液中并在之间加以10-30V的偏压，维持一段时间使纳米颗粒在FTO表面充分沉积，至沉积量达到1～2mg/cm2，然后将带有Fe2O3颗粒的FTO电极在400℃下煅烧30min。所述的偏压最优为20V，以下实施例中使用20V偏压下制得的电极。
实施例2：微生物的培养。
Shewanella(菌种从中国海洋微生物菌种保藏管理中心申请)从-20℃冰箱保存的甘油菌种保藏管中将MR-1划线在固体Luria-Bertani(LB)/Agar平板上，30℃培养箱中活化菌株，然后挑单菌落接种到LB液体培养基(10g/LNaCl，5g/L酵母提取物，10g/L胰蛋白胨)中富集生长，180rpm/min好氧摇床30℃下培养约16h至稳定期中后期。冷冻离心收集细菌培养物，离心条件为4℃，5000rpm，5min，弃去上清液，再用乳酸盐溶液(10mMC3H5O3Na，50mMPBS，50mMNa2SO4，2mMKCl，5mMNH4Cl)冲洗，然后再离心，如此重复三次；最后用乳酸盐溶液重新悬浮已洗净的菌体，使OD600为1.5左右，冷藏保存，以备下一步应用。
实施例3：电池启动和生物膜培养。
工作电极为Fe2O3/FTO复合阳极，对电极为铂片，参比电极为Ag/AgCl电极，鲁金毛细管尖端靠近工作电极，另一端与Ag/AgCl电极接触(Ag/AgCl电极浸没在饱和KCl溶液中)。电池安装好后加入乳酸盐溶液和菌悬液，充氮气半小时。将电池与恒电位仪相连，对工作电极施加-0.2V-+0.3vsAg/AgCl电势，在30℃下恒温培养，用恒电位仪记录i-t曲线。电流先升高后降低，接近零时更换培养基。如此六个周期后在Fe2O3/FTO阳极上培养出稳定的生物膜，将铂片换为碳毡，即可开始高浓度有机污水。
所述的工作电极的电势+0.2V最有利于电子导出，过高或过低都不利于电子导出，影响生物膜的负载和H2O2的产生，恒温培养的温度为30℃最有利于微生物生长，过高或过低都不是微生物的最适生长温度。
实施例4：处理含苯酚的高浓度有机污水。
阳极为Fe2O3/Shewanella复合电极，阴极为碳毡，间距为5～10cm，平行放置，电极面积：反应器体积＝1cm2：10～30mL。参比电极为Ag/AgCl电极，恒电位仪控制阳极电势，通过空气泵向体系内通入空气，反应过程中控制溶解氧浓度为3mg/L。
所述的溶解氧1～3mg/L既能保证微生物以Fe(III)作为电子受体从而发挥铁还原的作用，也能在电极上发生氧还原生成H2O2的反应，过高则氧气与Fe(III)形成电子受体竞争，过低则不利于生成H2O2。
将负载Fe2O3后培养生物膜的电极(F/S)与空白电极(blank)、培养生物膜的电极(S)和负载Fe2O3的电极(F)进行对比，如图2和3所示，降解实验进行8小时后，F/S体系中15mg/L苯酚完全降解，较各单一体系的累加提高约43％。COD的去除也远远高于其他体系，几乎实现完全矿化。
由以上可知，在mg/L级别的高浓度的有机工业污水中完成了Shewanella驱动了F/S电极表面Fe(III)还原为Fe(II)，提高了·OH的生成及电芬顿氧化苯酚的效率，强化了Fe催化剂的可持续循环利用。
实施例4
本实施例和实施例4的区别在于：所述的通过空气泵向体系内通入空气，反应过程中控制溶解氧浓度为1mg/L。结果区别在于：降解实验进行8小时后，F/S体系中15mg/L苯酚降解97.15％，较各单一体系的累加提高约62.34％。
实施例6
本实施例和实施例4的区别在于：所述的通过空气泵向体系内通入空气，反应过程中控制溶解氧浓度为2mg/L。结果区别在于：降解实验进行8小时后，F/S体系中15mg/L苯酚降解96.02％，较各单一体系的累加提高约67.12％。
实施例7
本实施例和实施例4的区别在于：所述的通过空气泵向体系内通入空气，反应过程中控制溶解氧浓度为4mg/L。结果区别在于：降解实验进行8小时后，F/S体系中15mg/L苯酚降解43.08％，较各单一体系的累加提高约4.72％。
本发明提供的方法对其他毫克级别的酚类废水在8小时的降解率均能到达60％以上，最高可达100％。

Claims (4)

1.一种Shewanella驱动电芬顿反应处理高浓度工业污水的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、将纳米Fe2O3颗粒和碘单质分散于丙酮中并超声分散得到混合液，将两块平行放置的电极相向浸没在混合液中并在之间加以10-30V的偏压，使纳米颗粒在电极表面沉积量达到1~2mg/cm2后，将带有Fe2O3颗粒的电极在400oC下煅烧30min；
步骤二、将Shewanella划线在固体Luria-Bertani/Agar平板上，30oC培养箱中活化菌株，然后挑单菌落接种到LB液体培养基中富集生长，所述的LB液体培养基为10g/LNaCl、5g/L酵母提取物和10g/L胰蛋白胨，180rpm/min好氧摇床30oC下培养16h至稳定期中后期，冷冻离心收集细菌培养物，离心条件为4oC，5000rpm，5min，弃去上清液，再用乳酸盐溶液冲洗，所述的乳酸盐溶液为10mMC3H5O3Na、50mMPBS、50mMNa2SO4、2mMKCl和5mMNH4Cl混合，然后再离心，重复三次；最后用乳酸盐溶液重新悬浮已洗净的菌体，使OD600为1.5，得到菌悬液；
步骤三、工作电极为Fe2O3/FTO复合阳极，即为步骤一中得到的带有Fe2O3颗粒的电极，对电极为铂片，参比电极为Ag/AgCl电极，鲁金毛细管尖端靠近工作电极，另一端与Ag/AgCl电极接触，所述的Ag/AgCl电极浸没在饱和KCl溶液中，电池安装好后加入乳酸盐溶液和步骤二中得到的菌悬液，充氮气半小时；将电池与恒电位仪相连，对工作电极施加+0.2VvsAg/AgCl电势，在30oC下恒温培养，用恒电位仪记录i-t曲线；电流先升高后降低，接近零时更换培养基；如此六个周期后在带有Fe2O3颗粒的电极上培养出稳定的Shewanella生物膜；
步骤四、将铂片换为碳毡，即可开始处理高浓度工业污水，参比电极为Ag/AgCl电极，恒电位仪控制阳极电势，通过空气泵向体系内通入空气，反应过程中控制溶解氧浓度为1~3mg/L。
2.如权利要求1所述的一种Shewanella驱动电芬顿反应处理高浓度工业污水的方法，其特征在于，步骤四中所述的阳极电极面积：反应器体积=1cm2：10~30mL，电极间距为5~10cm。
3.如权利要求1所述的一种Shewanella驱动电芬顿反应处理高浓度工业污水的方法，其特征在于，步骤一中所述的将两块平行放置的电极相向浸没在混合液中并在之间加20V的偏压。
4.如权利要求1所述的一种Shewanella驱动电芬顿反应处理高浓度工业污水的方法，其特征在于，步骤四中所述的反应过程中控制溶解氧浓度为3mg/L。
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