摘要
近年来，地下水资源硝酸盐污染日益严重，长期饮用受硝酸盐污染的地下水会引起高铁血红蛋白血症等一系列疾病。因此，开发有效的地下水硝酸盐污染修复技术显得尤为迫切。本文以一次性竹制筷子为原料制备生物炭，通过表征及吸附动力学分析，筛选出性能最佳的去除地下水中硝酸盐的生物炭电极材料，并考察了电场驱动下该生物炭作为阴极对硝酸盐的去除效果;研究了电极生物膜反应器还原硝酸盐过程中电子供体的竞争与协同机制，探明了硝酸盐的生物电化学还原机理;并从微生物群落结构角度阐明生物电化学作用的强化与调控机制。论文取得的主要结论如下: （1）在不同炭化条件下制得竹筷生物炭，利用扫描电镜、比表面积、电阻率等表征手段，发现竹筷在600℃下热解2h所制成的生物炭（A-600-2）具有最佳的综合性能，是理想的生物炭电极材料。炭化时间对生物炭性能影响不大，而温度的影响显著，特别是当热解温度从500℃升高至600℃时，生物炭的比表面积从2.18m2·g-1突增为179.21m2·g-1,电阻率从39900Ω·cm-1减小到112.75Ω·cm-1。 （2）吸附动力学实验进一步证实了A-600-2具有良好的吸附性能，其对硝酸盐的最大吸附量达到16.39mg/g。在电压为4V、水力停留时间为4h的条件下，以生物炭为阴极时硝酸盐去除率达到了76％,而无电压时硝酸盐去除率仅为32.7％,表明生物炭电极可以充分发挥吸附和电化学还原过程的耦合作用，获得更强的硝酸盐去除能力。此外，生物炭电极可以抑制亚硝酸盐的积累，提高电化学还原的选择性。 （3）通过比较电极生物膜反应器内葡萄糖和阴极电子分别作为单一电子供体时硝酸盐的去除效率发现，阴极电子是硝酸盐还原的优势电子供体。添加适量的葡萄糖可以抑制氢自养行为，释放阴极电子的还原潜力。采用葡萄糖1000mg/L和外加电流0.04A共同作为电子供体时，3h内硝酸盐便已完全去除。同时，在电极生物膜反应器中观察到了氢自养细菌和具有电化学活性的细菌，进一步证明了电极生物膜反应器可以促进氢自养和微生物协同反硝化，并通过胞外电子转移促进硝酸盐还原，提高了电子利用率。
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