微生物燃料电池中硝基酚生物阴极还原过程影响因素研究(3)
1.2 硝基酚概述
1.2.1 硝基酚的物化性质
对硝基苯酚（p-Nitrophenol，PNP），是一种重要的化工原料，具有污染范围广、对生物的危害性大等特点，是工业生产排放的废水中常见的一类污染物[7]，少量硝基酚可以在自然条件下通过光的作用进行分解[8]，而更多的硝基酚主要通过微生物作用才能分解，但由于硝基酚具有特殊的分子结构，使得好氧微生物降解工艺很难对PNP产生良好的分解效果[9]。
酚类化合物本身就具有很强的毒害性，尤其是在苯环结构的基础上，拥有硝基取代基团的酚类化合物会对生物体造成更大的伤害[10]。相关的一些研究[11-13]表明，硝基酚本身很容易被生物所吸收，并且还在生物体内被转化为亚硝基等致癌物质，对生物体造成危害，并且由于PNP很难被降解，容易在生物循环系统中富集造成更大的危害。因此，诸如PNP等有害的化合物都被国际联合会列入“优先控制污染物名单”，作为重点监控的污染物。
1.2.2 含有PNP废水的来源及危害
含有PNP的废水主要是来源于以PNP做为主要生产原料的工厂生产废水；同时，当大气中存在浓度较高的苯时，会和一氧化氮通过光化学反应生成PNP，并以光化学污染的形式出现。另外，Wan等[14]在废水排放口附近的环境中也检测出了PNP存在。
硝基酚有3种同分异构体，在这3种异构体中，PNP是其中生成量最多，同时其危害性也是最高的。在2004年，美国环保局报道中的数据表明，每年美国的工业工厂排放PNP总量高达772英镑【15】。除此之外PNP还具有很高的毒性和致突变性，能够在生物体内转化为铁血红蛋白或亚硝酸胺，铁红蛋白能与氧结合，而硝酸铵是致癌物【13】，对生物体造成伤害。PNP还能使生物体内得蛋白质的变性，长期饮用含有微量PNP的水资源，会容易引起头晕等病症。同时由于PNP结构的特殊性，使得苯环上电子云密度大大降低，导致亲电反应难以进行，使好氧微生物处理技术无法良好的对PNP进行降解，因此PNP可以长期在环境中不被分解，并且由于生物链富集作用，PNP会持续对环境造成更大的危害。
1.2.3 硝基酚的去除方法
到目前为止，对于PNP降解工艺所采用主要方法从总体上可分为物理法、化学法、生物法3大类。其中，物理法包括吸附[16]、萃取和盐析；化学法主要分为高级氧化法[17,18]和电化学法；生物法如活性污泥法[19]，以上方法均可有效地处理含有PNP的废水。但这些常用的处理方法各自有各自的工作特点，物理、化学方法不但处理成本费用较高，而且产生的产物拥有毒性，还会对环境再次造成污染；而使用生物法处理含PNP的废水时，系统内的微生物容易被含有剧毒性的PNP杀死，降解效率差。因此设计一种既廉价，并且拥有高工作效率去处理含PNP废水的工艺是一个非常值得研究的新课题。
近年来，利用MFC工艺处理富含有机物废物的生产生活废水愈来愈引起国内外研究人员的关注【20】。在这种处理工艺中，微生物可以将废水中的有机物释放出电子和质子；释放出的电子首先在阳极上聚集，之后再通过外电路传递到阴极；而质子通过质子交换膜液到达阴极表面；这时，电子、质子和电子受体在阴极进行降解反应【21】。这样一来，随着阳极有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行，不但可以将有机物的化学能转化为电能，同时废水中的有机污染物也获得了有效的处理【22】，既环保又高效，并且能够创造一些额外收益。