脱硫效率低和电子供体利用率低是制约硫酸盐废水生物处理工业化应用的重要原因。研究贫电子供体条件下的生物硫酸盐还原,不仅可以降低生物脱硫工艺成本,同时对于酸性矿山废水、烟气脱硫废水等贫电子供体含硫废水的处理更具现实意义。为此,本文提出利用电生物耦合技术强化贫电子供体体系硫酸盐废水的处理,具体在生物脱硫过程中采用生物电解池(MEC)反应器,重点研究MEC反应器操作条件对生物脱硫的影响,并确认最佳操作工况;阐明外加电场对微生物生长代谢和种群结构的影响,考察微生物负载对电极性质影响,深入研究微生物在硫酸降解过程中的电子转移机制,为完善MEC反应器打下理论基础;开发了能和微生物产生最佳协同作用效果的电极材料以及通过电极修饰技术提升MEC反应器的性能。该论文的主要研究内容和成果如下:1.MEC与硫酸盐还原菌(Sulfate-Reducing Bacterial,SRB)耦合用于降解硫酸盐废水。结果证实,SRB可以与电场产生很好的协同作用。MEC电流强度为1.5 mA时反应器的硫酸盐去除率最高,比对照组高14.9%。电流的存在降低了微生物对有机物消耗量。过高电流会导致细胞裂解,降低微生物代谢活性,最终影响硫酸盐还原效率。合适的电流会刺激微生物胞外分泌物的分泌,促进阴极生物膜的形成,加速微生物和电极之间的电子转移速率。高通量测序分析进一步表明,外加电场提高了 SRB的种群竞争优势。2.在长时间连续运行中,发现MEC反应器的性能会逐渐下降。原因在于:由于双电层(EDLs)的存在,MEC反应器长时间连续运行会导致电极产生MgSO4·7H20盐结晶。电极盐结晶抑制微生物代谢活性,导致大量微生物细胞破裂死亡;增大电机的电荷转移电阻,影响微生物和电极之间的电子转移效率;降低MEC系统的电子利用率;破坏阴极上生物膜的完整性;使MEC低硫酸盐废水的处理能力下降。通过使用间歇电场MEC反应器,很好地抑制了电极盐晶体的形成,从而在较长时间内保持MEC性能。优化后的反应器中微生物可以保持较高的代谢活性并在电极上形成完整生物膜,从而加速细菌和电极之间的电子转移。另外,优化后的反应器中微生物群落的多样性得到提升,使得MEC系统适应环境胁迫能力加强。3.电子转移速率是影响MEC反应器性能的关键因素,而合适的电极材料和电子中介体可以促进MEC系统的电子转移。电子转移效率的提高和SRB电子利用率的提高是反应器性能提升的主要原因。研究表明:石墨毡能与中性红(NR)产生很好的协同作用,促进系统的电子利用效率,使得细菌代谢活性保持更长时间。该反应器中的硫酸盐去除率能力提高了 22.3%,电子利用效率提高至54.2%。探索了微生物对电极电化学性质影响,电场对微生物活性和群落结构的影响。结果表明石墨毡为微生物特别是SRB的生长提供了充足的空间,并通过与NR的耦合促进电子传递。而外加电场强化了 SRB的种群竞争优势,使其能获得更多电子供体。4.在多层碳纳米管(MWCNTs)表面接枝羧基,通过脂键和非共价键π-π堆叠作用可以将2-羟基-1,4-萘醌(HNQ)固定在电极表面。固定化了 HNQ的电极可以促进电子转移,提高SRB的电子利用效率,最终提升MEC对硫酸盐的降解,并能回收氢气。由于系统电子利用率的提高,SRB代谢活性可以维持更久。此外,结果显示使用HNQ修饰电极的反应器中物种多样性增加,从而提高了系统稳定性。该方法展示了 HNQ修饰电极在MEC应用上的巨大优势和潜力,未来也可以应用于生物电催化和生物燃料电池等领域。