生物电化学协同强化硝酸根处理技术研发开题报告

1. 研究目的与意义

一、背景

目前工业废水和城镇生活污水处理厂出水总氮中主要是硝态氮，难以直接实现厌氧氨氧化，亟需开展硝酸盐还原研究，并结合厌氧氨氧化工艺实现深度脱氮。近年来，通过电催化实现硝酸盐还原已成为研究热点，但因其转化效率偏低，而主要用于能源领域。金属铜由于其独特的化学物理性质已经被证明是一种有效催化还原水中硝态氮的阴极电极材料，其来源广泛价格较为低廉，受到研究者广泛的关注。例如早在2001年bouzek等人证实金属铜片电极相比于镍、石墨烯及铂电极，硝态氮在其表面的催化还原活性最高，能够有效处理弱碱性条件下饮用水中的硝态氮。然而，利用铜片电极材料进行水中硝态氮的去除还存在局限性，主要是铜片表面电化学还原能力有限，并且其比表面积较小，因此限制了催化还原硝态氮的速度。近年来fu等人合成了具有不同形貌的铜纳米催化剂，如纳米球状，纳米块状和纳米片状铜纳米材料，它们相对于常见用的铜片电极能够极大提电催化硝态氮还原产生氨氮的活性，在-1.5 v的低过电位下可以实现390.1 μg mg_cu^-1 h^-1的氨氮形成速率以及99.7%的法拉第效率。sergent 等人通过合金化策略合成了系列铜镍合金纳米材料，并且发现将其作为阴极时可以高效将硝态氮转化为氨氮，在-0.2 v的低过电位下可以实现最佳的氨氮生成法拉第效率，其活性的纯铜电极的6倍。因此，通过使用合金化的方法对铜纳米材料进行优化，可以达到增强其电化学还原硝态氮能力。然而，目前阴极电极材料的研究大多局限于对硝态氮转换到特定产物，例如氨氮的基础层面研究，对于电化学还原硝态氮生成比例可控的亚硝态氮和氨氮的研究尚未见报道。特别是，大多数均在实验室阶段，面向实际污水处理的研究相对较少。

二、目的及意义

2. 研究内容和预期目标

1）电化学控氮还原低成本电化学阴极材料筛选和改性优化

本课题拟采用泡沫铜为基础构建电化学阴极材料，考察泡沫铜孔密度、铜箔等电极材质的比表面积、制造加工成本、电流密度及反应速率，评估其工业化应用的经济性；并结合电化学沉积技术对泡沫铜表面进行合金化处理，重点考察沉积合金结构、组成、比表面积及质量传质等因素对电极的结构及电化学性能的影响，特别是在实际工业废水环境下泡沫铜的电化学活性、电化学稳定性以及耐腐蚀性，筛选适合高硝态氮废水处理的低成本高效率的电化学阴极材料。

2）电化学控氮还原h型电解池和流动池系统的性能研究

3. 研究的方法与步骤

（1）电化学控氮还原低成本电化学阴极材料筛选和改性优化

以在泡沫铜表面沉积铜镍合金为例，具体实施方案如下：铜镍合金纳米结构的电化学制备都是在室温下于三电极电化学池中进行的。工作电极采用表面处理过的泡沫铜（1 cm²），参比电极采用饱和甘汞电极，对电极采用铂片(1.0 cm²)。工作电极与对电极距离1.5 cm。电解液为0.05m h₂so₄和包含不同比例的硫酸铜和硫酸镍的水溶液，采用恒电位法沉积。重点考察铜镍比例、工作电极面积、铜镍合金负载量等因素对催化剂的结构形貌和电催化性能的影响。

（2）电化学控氮还原h型电解池和流动池系统的性能研究

4. 参考文献

1) Effects of Organic-Matter-Induced Short-Term Stresses on Performance and Population Dynamics of Anammox Systems[J]. Journal of Environmental Engineering. 20202) The effect of carrier addition on Anammox start-up and microbial community: a review. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. 2020, 19:355–3683) Effect of C/N ratios on nitrogen removal and microbial communities in the anaerobic baffled reactor (ABR) with an anammox-coupling-denitrification process. Water Science and Technology. 2018, 78(11): 2338-2348.4) Evaluation of COD effect on anammox process and microbial communities in the anaerobic baffled reactor (ABR) Bioresource Technology, 2016, 216: 571-5785) Effect of Organic Matter Strength on Anammox for Modified Greenhouse Turtle Breeding Wastewater Treatment. Bioresource Technology, 2013, 148:172-1796) Improving Anammox start-up with Bamboo Charcoal. Chemosphere, 2012, 89: 1224–12297) Effects of HRT and Loading Rate on Performance of Carriers-Amended Anammox UASB Reactors, Water Environment Research,2017, 43(89): 43-508) 基于SBR-ABR实现PN-SAD耦合工艺的运行与优化调控, 环境科学, 2020, 41(1): 330-3369) 有机物浓度对Anammox脱氮性能及微生物群落的长期影响，中国环境科学，2019, 39(12)：5049~505510) 基于高通量测序的ABR厌氧氨氧化反应器各隔室微生物群落特征分析[J]. 环境科学，2016，37(7)：245-25111) 基质浓度对ABR厌氧氨氧化反硝化脱氮除碳效能影响及动力学特征. 环境科学学报, 2018, 38(9): 3552-3560.12) 基质浓度对ABR反应器SAD协同脱氮除碳效能影响[J]. 环境科学，2018. 39(7): 3254-326113) 环境温度下SBR实现稳定部分亚硝化研究，中国环境科学，2018. 38(12)：4509-451514) C/N和污泥浓度对以pH值调控的亚硝化系统影响，环境科学，2019,40（2）：845-85215) 厌氧氨氧化启动过程Anammox菌富集规律和差异分析[J]. 生物工程学报，2014, 30(6): 891-90016) 有机碳源下废水厌氧氨氧化同步脱氮除碳. 生物工程学报, 2014, 30(12): 1835-1844.17) 厌氧氨氧化污水处理工艺及其实际应用研究进展. 生态环境学报, 2014, 23(3): 521-52718) 厌氧氨氧化启动过程及微生物群落结构特征[J]. 环境科学，2017, 38(12): 5184-5191.

5. 计划与进度安排

(1) 第1周~第4周，查阅资料，制定实验方案与计划，准备开题报告；外文翻译，论文前言部分的撰写；

(2) 第5周~第8周，在泡沫铜表面沉积铜镍合金，并测试电极化曲线；

(3) 第9周~第12周，建生物炭介导的厌氧氨氧化体系，实现厌氧氨氧化反应的快速启动；