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生物电化学系统-厌氧污泥耦合工艺：含氯代硝基苯有机废水处理的创新策略

一、引言

1.1研究背景与意义

含氯代硝基苯类化合物在化工、医药和农药等行业有着广泛应用，是重要的有机合成中间体。在其生产和使用过程中，会产生大量含氯代硝基苯的有机废水。这类废水具有高毒性和生物累积性，对环境和人类健康造成严重威胁。由于氯原子和硝基团的存在，含氯代硝基苯类化合物化学稳定性高，难以被自然降解，在环境中长时间存在并不断积累。其毒性不仅会对水生生物产生急性毒性效应，影响水生生态系统的平衡，还可能通过食物链的传递，对人类健康造成潜在危害，如损害神经系统、血液系统等。

传统的含氯代硝基苯有机废水处理方法主要包括物理法、化学法和生物法。物理法如吸附法、萃取法等，只是将污染物进行转移，并未真正实现降解，存在二次污染风险；化学法如高级氧化技术，虽然氧化能力强，但成本较高，且可能产生副产物。生物法因其成本低、环境友好等优点受到广泛关注，但含氯代硝基苯类化合物的难降解性使得传统生物处理方法效果不佳，微生物的生长和代谢易受到抑制，导致处理效率低下。

厌氧污泥中含有丰富的微生物群落，这些微生物在厌氧条件下能够通过一系列复杂的代谢过程，对有机物进行分解和转化。将生物电化学系统与厌氧污泥耦合，为含氯代硝基苯有机废水的处理提供了新的思路。生物电化学系统能够利用微生物的电化学活性，在电极表面发生氧化还原反应，促进有机物的降解和电子传递，同时为厌氧污泥中的微生物提供适宜的生存环境，增强其代谢活性。通过这种耦合工艺，可以充分发挥两者的优势，提高含氯代硝基苯有机废水的处理效率，实现废水的无害化和资源化。

本研究旨在深入探究生物电化学系统-厌氧污泥耦合工艺对含氯代硝基苯有机废水的处理效能及作用机制，为该工艺的实际应用提供理论依据和技术支持。通过优化工艺参数，提高耦合系统对含氯代硝基苯的去除率和矿化度，降低废水的毒性，实现废水的达标排放。同时，研究耦合系统中微生物的群落结构和功能变化，揭示其协同作用机制，为进一步改进和优化工艺提供科学指导，对于推动含氯代硝基苯有机废水处理技术的发展具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1含氯代硝基苯有机废水处理研究进展

含氯代硝基苯有机废水的处理一直是环境领域的研究热点。在物理法方面，吸附法利用吸附剂对含氯代硝基苯进行吸附，活性炭是常用的吸附剂，具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，对含氯代硝基苯有较好的吸附性能。然而，吸附饱和后吸附剂的再生和处置是面临的主要问题，若处理不当可能造成二次污染。萃取法通过选择合适的萃取剂，将含氯代硝基苯从废水中转移到萃取相中，实现污染物的分离。但萃取剂的选择和回收较为关键，若萃取剂残留于水相中，会影响水质。

化学法中，高级氧化技术备受关注。如芬顿氧化法，利用亚铁离子和过氧化氢反应产生的羟基自由基，对含氯代硝基苯进行氧化降解。其氧化能力强，反应速度快，但过氧化氢的用量较大，成本较高，且会产生大量含铁污泥，后续处理困难。臭氧氧化法通过臭氧分子的强氧化性，将含氯代硝基苯氧化为小分子物质。研究表明，臭氧氧化不仅能降解含氯代硝基苯，还能提高废水的可生化性。但臭氧的产生需要消耗大量能量，且在水中的溶解度较低，限制了其应用。

生物法因具有成本低、环境友好等优点，成为研究的重点。传统生物法中，厌氧生物处理可在厌氧条件下，利用厌氧微生物将含氯代硝基苯逐步转化为无害物质。但含氯代硝基苯对厌氧微生物具有抑制作用，导致处理效率较低，且反应时间长。好氧生物处理利用好氧微生物的代谢活动降解污染物，但含氯代硝基苯的难降解性使得好氧微生物难以将其有效分解。为提高生物处理效果，研究人员尝试对微生物进行驯化和筛选，以获得对含氯代硝基苯具有高降解能力的菌株。如从长期受含氯代硝基苯污染的土壤中筛选出能够高效降解该类污染物的细菌，通过优化培养条件，提高其降解性能。同时，基因工程技术也被应用于构建具有特定降解功能的工程菌，以增强微生物对含氯代硝基苯的降解能力。

1.2.2生物电化学系统与厌氧污泥耦合工艺研究现状

生物电化学系统与厌氧污泥耦合工艺作为一种新型废水处理技术，近年来受到越来越多的关注。在国外，已有研究将微生物燃料电池与厌氧污泥相结合，用于处理含氯代硝基苯废水。结果表明，耦合系统能够有效提高废水的处理效率，实现含氯代硝基苯的降解和电能的产生。通过优化电极材料和反应器结构，进一步提高了耦合系统的性能。如采用碳纳米管修饰的电极，增加了电极的比表面积和电导率，促进了微生物与电极之间的电子传递，从而提高了含氯代硝基苯的降解速率。

国内在该领域也开展了大量研究。有学者研究了生物电化学系统-厌氧污泥耦合工艺对多种含氯代硝基苯废水的处理效果，发现耦合工艺在提高污染物去除率的同时，还能增强