[发明专利]掺杂水溶性蒽醌或萘醌化合物的聚吡咯功能介体的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于废水的生物处理的技术领域，具体地说是一种掺杂水溶性醌类化合物的聚吡咯功能介体的制备方法及其应用。

背景技术

氮污染是目前国际上普遍关注的议题。多的氮化合物进入天然水体不仅会使水环境质量恶化，影响饮水质量和森林生态系统，还会对人体健康以及动、植物的生存产生严重的危害。首先，氮是引起水体富营养化的主要因素，大量含有氮营养盐的污水直接排入受纳水体后，会导致藻类和其它水生植物的异常增长，消耗水中的溶解氧，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏；其次，水体中氨污染物可在微生物的作用下继续氧化成硝酸盐氮，消耗水体中的溶解氧，严重时使鱼类窒息死亡；再次，供饮用的地表水和地下水中硝酸盐浓度过高，可能在人体中被还原为亚硝酸胺，而亚硝酸胺己被确认为致癌、致畸、致突变的物质，对人体健康有严重的潜在威胁。

目前国内外含氮废水的处理方法主要可分为物化法和生物法两大类。其中，传统的生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为N₂和N_xO气体的过程，包括氨氧化、硝化和反硝化三个反应过程，有机物的降解碳化过程亦伴随这些过程同时完成。其中反硝化反应就是将硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐还原成N₂的过程。反硝化是有多种酶参与并伴随着电子传递和能量产生的复杂反应过程。大量研究表明，反硝化主要有四个步骤，有四种不同的酶参与：硝酸盐还原酶(Nitrate reductase，NaR)、亚硝酸盐还原酶(Nitrite reductase，NiR)、一氧化氮还原酶(NO oxidoreductase，NoR)、一氧化二氮还原酶(N₂O reductase，N₂R)，在这四种酶的作用下最终将硝酸盐转化为氮气。生物处理较物化处理价格低廉，但生物脱氮的速率较低，致使水力停留时间较长，基建投资较高，结合当前国家标准对废水出水的高要求，高效率，有效地改变生物脱氮速率提高生物脱氮是目前人们研究的热点问题之一。

针对提高生物脱氮效率目前解决的方法有两大类，第一类是利用新的生物脱氮机理研究和开发新生物脱氮工艺，提高脱氮效率，比如短程硝化-反硝化、厌氧氨氧化和同时硝化反硝化等，但目前关于这些方法的大多数实际工程应用只是停留在实验室和中试阶段，影响工艺参数较多，进行工艺条件的控制比较复杂，目前在大型工程上实现有一定困难；第二种方法，提高生物本身的反应速率解决效率问题，即寻找促进生物脱氮反应的特种物质，促进生物脱氮过程中的氧化还原速率，称该类物质为氧化还原介体(Redox Mediator，RM)，利用RM促进生物脱氮速率。

最近20多年，研究证明某些含有醌类结构特殊物质对一些污染物降解有加速作用，如希瓦氏菌具有醌类结构的腐殖质物质在偶氮染料脱色中发挥了重要作用，黄素单核苷酸 (FAD, FMN) 和核黄素 (riboflavin) 等类黄素化合物以及磺酸基蒽醌（AQS）、二磺酸基蒽醌（AQDS）、2-羟基-1、4-萘醌(lawsone) 等醌类化合物，可作为偶氮染料脱色的氧化还原介体，另外上述氧化还原介体对硝基芳香胺和重金属的还原也具有催化作用，但上述水溶性醌类化合物作为氧化还原介体处理难降解有机物，在实际应用中需连续投加水溶性醌类化合物，不仅易造成二次污染，而且处理成本增加。李丽华的博士论文《聚吡咯固定化介体强化偶氮染料和硝基化合物厌氧生物转化》以AQDS为掺杂剂，以吡咯为载体，采用恒电流制备方法，聚合电位控制在0.6~1.2V范围内，在ACF（粘交基活性炭毡）的电极基体材料上形成聚吡咯膜复合材料——AQDS / PPy /ACF功能介体，所述AQDS / PPy /ACF功能介体对偶氮染料的厌氧脱色具有催化作用，它的加入可显著提高偶氮染料的厌氧脱色效率，掺杂在聚吡咯母体中的蒽醌-2，6-二磺酸根对阴离子是生物催化活性中心，通过利用聚吡咯优良的生物相容性和物理化学性能，可保留AQDS对偶氮染料所具有的高效催化活性；另所述AQDS / PPy /ACF氧化还原介体还可显著提高硝基芳香化合物的厌氧转化速率。但其制备的AQDS / PPy /ACF氧化还原介体中吡咯与对阴离子的摩尔比仅为6：1，掺杂比较低，一方面制约了AQDS / PPy /ACF功能介体的催化性能，另一方面，关于掺杂水溶性醌类化合物的聚吡咯功能介体对微生物反硝化过程是否有催化作用，在国内外尚未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种掺杂度较高的掺杂水溶性蒽醌或萘醌化合物的聚吡咯功能介体的制备方法及其应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：