气态电子供体支持微生物还原地下水中五价钒的研究

论文摘要

钒作为一种过渡金属广泛存在于地壳中,由于其具有熔点高,质地坚硬等特点被广泛应用于工业中。工业的快速发展导致环境中的钒污染日益加重,其中地下水污染受到大家的广泛关注。运用微生物修复法来治理污染地下水是近年来的研究热点。电子供体在微生物修复过程中发挥关键作用,气态电子供体驱动的微生物修复过程生物量较低,无二次污染,逐渐成为研究的热点。利用氢气作为电子供体微生物还原五价钒过程中,7天内五价钒的去除率能够达到91.0±3.2%,还原的最终产物为四价钒,其中伴存的硝酸盐能够被完全去除,最终生成氮气。探究了初始五价钒浓度和五价钒负荷对五价钒和硝酸盐还原速率的影响。通过对微生物群落的分析发现Dechloromonas和Hydrogenophaga等功能微生物在反应中起着重要的作用。甲烷作为唯一电子供体和碳源可以有效的生物还原地下水中的五价钒,7天内五价钒的去除率能够达到95.8±3.1%,最终生成四价钒。硝酸盐的加入表明共存电子受体的存在能够抑制五价钒的还原效果。实验过程中检测到挥发性脂肪酸生成,可能来自于甲烷的氧化。高通量分析结果表明,细菌Methylomonas作为已知的能够参与甲烷氧化和硝酸盐还原的功能菌得到明显富集,厌氧甲烷氧化古菌Methanobacterium占比从0.25%增加到85.2%。利用微生物电解池生产氢气和甲烷,原位支持微生物还原五价钒。在0.8 V电压下,一个周期(6天)内,产生氢气与甲烷的体积比约为4:6。将微生物电解池与生物还原V(V)反应器相连,实验结果表明五价钒的去除效果良好,五价钒初始浓度为1.5 mM时去除率可以达到94.6±1.3%。这一过程弥补了间歇供给电子供体的缺陷,同时达到了回收能源和废水处理等目的。Geobacter是一种重要的产电微生物,在微生物电解池中的占比增加到33.07%,同时,为能够参与五价钒还原过程的功能微生物在生物还原五价钒反应器中的占比增加至12.97%。本研究利用气态电子供体(氢气和甲烷)实现了地下水中五价钒的微生物还原,为五价钒污染地下水的高效修复提供了可靠的理论依据和技术支持。

论文目录

摘要

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第1章绪论

1.1 研究背景

1.1.1 地下水钒污染的来源

1.1.2 钒的危害

1.2 地下水中重金属的修复技术

1.2.1 异位修复技术

1.2.2 原位修复技术

1.3 气态电子供体在微生物修复中的应用

1.3.1 氢气作为电子供体的应用现状

1.3.2 甲烷作为电子供体的应用现状

1.4 微生物电解池产氢产甲烷过程

1.4.1 发展现状

1.4.2 MEC产氢产甲烷进展

1.5 研究目的、内容及创新点

1.5.1 研究目的

1.5.2 研究内容

1.5.3 研究创新点

1.6 技术路线

第2章氢气驱动微生物还原五价钒

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验方法

2.2.3 测试方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 V（V）和硝酸盐的还原

2.3.2 反应产物的鉴定及过程推导

2.3.3 影响因素研究

2.3.4 微生物群落分析

2.4 本章小结

第3章甲烷支持微生物还原五价钒

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 实验材料

3.2.2 实验方法

3.2.3 测试方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 微生物还原V（V）

3.3.2 反应产物测定

3.3.3 微生物群落结构分析

3.3.4 甲烷氧化耦合V（V）还原的机理研究

3.4 本章小结

第4章结合微生物电解池微生物还原五价钒

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 实验材料

4.2.2 实验方法

4.2.3 化学测试和计算方法

4.2.4 微生物分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 MEC性能分析

4.3.2 MEC与 V（V）生物还原结合

4.3.3 影响因素研究

4.3.4 微生物群落结构分析

4.4 本章小结

第5章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 姜宇峰

导师: 张宝刚,曹效鑫

关键词: 地下水,氢气,甲烷,微生物电解池

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: X523;X172

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.001077

总页数: 86

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