硝基苯作为重要的基本有机中间体,广泛的被用于化工、染料、医药等行业,是生产苯胺以及许多溶剂的原料。然而硝基苯在对人类文明产生重要贡献的同时却对人和其他生物表现出了极大的毒性,并且其在自然环境中性质稳定不容易分解。因此许多国家都对硝基苯废水的排放制定了严格的标准。与此同时,硝基苯废水的处理技术也成为了当今国际上的研究热点。一般来说,好氧生物处理技术能够高效去除废水中大部分的有机污染物。但是由于硝基苯对于微生物的毒性,因此单独利用好氧生物技术难以使得硝基苯废水达标排放,特别是当废水中硝基苯浓度较高时,很多微生物将由于中毒而死亡,使得整个处理工艺崩溃。因此目前对于硝基苯废水的处理在好氧生物处理单元前都要设有预处理单元。常见的预处理方法有铁碳内电解法,电化学直接还原,以及厌氧生物降解。然而这些工艺都呈现出了共同的问题,即高效率与低成本难以调和。本研究利用生物电化学系统成功的实现了低能耗的情况下对废水中硝基苯的高效转化,并且工艺没有二次污染问题。在生物阴极的作用下,浓度为200mg/L的硝基苯废水能够在20个小时内处理完成,硝基苯的去除率达99.3%,硝基苯的苯胺转化率达93%。而此时的电耗经过折算,吨水处理耗电量仅为0.195kw h。目前利用生物阴极去除污染物的研究越来越受到关注,自2007年以来生物阴极先后被报道对硝酸盐,高氯酸盐,酸性橙有很好的去除效果,但目前此领域的研究仍处于起步阶段。本研究首次报道了生物阴极对硝基苯的良好去除效果,这对生物阴极去除污染物的研究又提供了重要的实验参考。以下是本实验中代表性的结论。首先,研究分析了MFC与BES运行的差别,提出了针对BES的生物阳极MFC驯化策略。同时我们分析了影响生物阳极性能的主要因素,给出了每个影响因子的最适范围,pH7~8,温度20℃~30℃,硝基苯浓度不超过50mg/L。同时,实验中我们比较了生物阳极和非生物阳极对于硝基苯还原的最低电解电压,结果发现生物阳极的引入使得硝基苯的还原所需要的最低电压从1.2V下降到0.17V,大大节省了能量的消耗。其次,我们比较了生物阴极和非生物阴极对于硝基苯废水转化的效果。发现对于硝基苯的去除率来说二者差别不大,而对于硝基苯的苯胺转化率二者却呈现出明显的差别。主要表现在生物阴极的硝基苯苯胺转化率较高,最高转化率为93.0%,而非生物阴极最大值仅为76.8%。另外对于苯胺的产生速率来说,生物阴极在20小时的时候苯胺浓度即达到峰值,而非生物阴极则需要48个小时以上。还有,生物阴极的引入降低了外加电压对硝基苯转化效果的影响。对于生物阴极,外加电压为0.3V时其硝基苯苯胺转化率为77.1%,是其最高转化率的83%。而对于非生物阴极,0.3V时其转化率只有24.6%,仅是其最大转化率的32%。接下来,实验比较了微生物接入BES阴极室前后阴极的循环伏安曲线并利用LC-MS对硝基苯转化过程的中间代谢产物进行分析。结合目前文献中报道的一些结论推测了硝基苯在生物阴极作用下的四种转化的机制。最后实验讨论了BES生物阴极与生物阳极协同处理硝基苯废水的可行性,考察了苯胺浓度对生物阳极的影响,结论是即使苯胺浓度达到600mg/L,其对于生物阳极的电化学活性也没有明显的抑制,因此可以利用阴极脱毒后的废水作为生物阳极的底物。另外,BES处理硝基苯过程中会出现阳极液酸化以及阴极液的碱化的现象。将BES阴极室出水接入阳极室则可有效避免这个问题。因此得出结论,协同处理不仅是可行的,更是有效的。