摘要：微生物处理技术具有高效去除目标污染物、加速系统启动、提高系统抗水力及有机负荷能力以及优化系统菌群结构和增强功能稳定性等功能，在废水生物处理实际应用中潜力巨大。本文结合笔者多年的工作经验，阐述了微生物电解池（microbialelectrolysiscell，MEC）处理废水中各类污染物的技术要点，以作参考。
关键词：微生物电解池；废水处理；污染物降解；生物处理技术
近年来，水的污染问题是我国最突出的环境问题，生活污水、工业废水等的大量排放给环境带来了巨大的压力。目前，对废水的处理主要有物理化学法和生物法两大类。采用生物法处理废水，主要是通过微生物自身的生命活动降解污染物，将有害物质分解为稳定无害的小分子物质，如CO2和H2O。与物理化学法相比，废水生物处理技术具有处理费用较低、适用性广泛、作用条件温和以及处理效果良好等优势，成为应用最为广泛的废水处理技术。然而，传统的生物处理法也存在着很大的局限性，例如厌氧生物处理的反应速率较慢，厌氧微生物对毒性物质较为敏感，出水水质较差；好氧处理技术需要消耗大量能量来曝气，同时还会产生大量难以处理的剩余污泥。此外，传统生物法难以处理难降解和具有高生物毒性的物质。因此，为了克服传统生物处理法的局限性，基于传统生物处理技术的优化和改进一直是环境工程领域重要的研究方向。
1.MEC处理废水中无机污染物中的氮
采用构建的双室MEC处理硝酸盐废水，以石墨板作为电极，阳极富集形成生物膜，在所有实验组的阳极电势范围内，阳极生物膜能够兼性地还原硝酸盐；硝酸盐临界浓度为生物膜厚度的函数而不是电势的函数；当硝酸盐浓度大于盐酸盐的临界浓度时，会导致MEC性能下降，悬浮微生物增长，从而影响出水水质。以石墨毡作为电极，阴极通入合成的硝酸盐废水，在使用生物阳极时，硝酸盐去除率达到了79%，使用双室的MEC处理含低浓度硝酸盐的地下水，在-123mV的阴极电势下硝酸盐去除速率最大，为2.59mgN-NO3-/（LNCC·h）（NCC：netcathodiccompartment，净阴极室体积），最终氮气转化率高达93.9%，出水水质符合世界卫生组织的饮用水标准。
2.MEC处理废水中无机污染物中的硫酸盐
针对废水中的硫酸盐，传统的厌氧生物处理需要加入大量的有机质。用碳毡作为电极，采用双室MEC结构，发现硫酸盐还原菌能够直接从电极接受电子，而不经过电子载体或氢气的产生。采用构建的双室MEC处理硫酸盐废水，其以石墨颗粒作为电极，乙酸为阳极基质，研究发现硫酸盐还原的最小能量需要为0.7V，并且在1.4V时达到最大的硫酸盐去除率，采用构建的双室MEC处理含硫酸盐废水，以碳刷作为电极，在阴极富集自养型的硫酸盐还原菌，当阴极电势达到-0.9V时，连续流的最大硫酸盐去除率为49%。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆建立双室MEC以碳毡作为电极，阴极覆盖Pt0.5mg/cm2，采用其处理含有硫化物的人工废水，结果表明，在0.7V的外加电压下，经70h的运行，阳极硫化物去除率达到72%，同时阴极甲烷形成的法拉第效率为57%。
3.MEC处理废水中无机污染物中的重金属
有关应用MFC处理废水中重金属的研究报道已有很多，但关于应用MEC处理废水中重金属的研究还相对较少。构建双室MEC，其以钛丝作为阴极，将其用于混合溶液中重金属的回收，结果表明，通过控制阴极电势，可实现对溶液中铜、铅、铬、锌4种金属的回收，首次证明了阴极可以用来回收混合溶液中的重金属。以构建的双室MEC研究以不锈钢网为材料的非生物阴极对废水中Ni2+的去除效果，以碳毡为材料的生物阳极由于电化学活性微生物的作用，导致阳极电势降低；同时外加电压的存在降低了阴极电势，形成了更佳的还原条件，使得MEC对Ni2+的去除要优于MFC。在外加0.9V的电压下，在Ni2+的初始质量浓度从50mg/L到1000mg/L逐步增加的过程中，MEC系统的Ni2+去除率由最初的（99±0.6）%下降到（33±4.2）%，而相同条件下电解池Ni2+去除率从（84±5.4）%下降到（10±1.7）%，说明可以通过控制阴极水力停留时间去除和回收矿排水中的重金属。
4.MEC处理废水中的易降解有机物
在以乙酸等简单碳水化合物为基质的MEC中，这些简单的碳水化合物均能被较好地去除。构建的MEC，以石墨颗粒作为电极，以乙酸钠为基质，其乙酸去除率达94%，同时在阴极甲烷的电子回收达到了79%。采用碳布作为电极，其阳极的乙酸钠去除率达90%。以乙酸钠、葡萄糖和蛋白胨等简单的有机物作为阳极基质，在双室的MEC阳极室中，设置阳极电势为+0.2mV，在COD负荷为0.89g/（L·d），水力停留时间为0.6d的条件下，平均COD去除率为（75±16）%。在研究MEC对废水中蛋白质的降解中，构建了双室MEC，其以石墨纤维刷为阳极材料，在生物阳极通入纤维素发酵废水。在0.9V的外加电压下，总的COD去除率和蛋白质去除率分别为（76±6）%和29%，当外加电压增加到1.0V时，废水中的蛋白质可以被完全去除。
5.偶氮染料的脱色和还原
偶氮染料被广泛应用于纺织、皮革、化妆品、食品等行业的着色，其在印染废水中具有浓度高、化学稳定性高、对水生生物有毒性等特点，可对环境和公众健康带来危害。MEC对各类偶氮染料的降解都能取得非常好的效果。通过驯化阳极生物膜，使偶氮染料去除速率由单室有膜系统的3.04g/（L·h）增加到单室无膜系统的8.37g/（L·h）。建立单室无膜MEC，其使用碳刷作为电极，在外加0.3V的电压下，对刚果红的脱色率达到（98.3±1.3）%，远高于双室系统的（67.2±3.5）%。
6.其他难降解有机物的去除
传统的污水处理工艺对造影剂类物质的去除效果有限。采用构建的双室MEC处理碘化的X射线造影剂，阴阳极均填充石墨颗粒，以石墨棒连接恒电位仪。阳极接种微生物，以乙酸为碳源，采用非生物阴极对碘普罗胺（iopromide，IPM）进行脱卤。当阴极电势降低到-800mV或更低时，IPM能够被完全脱卤，最大去除速率为（13.4±0.16）mmol/（m3TCC·d），脱卤作用的主要机理是石墨颗粒电极和IPM之间的直接电子转移。
7. 结束语
综上所述，MEC作为一项前沿的废水生物处理技术，无论是对常见的有机及无机污染物，还是对难降解物质，都能达到理想的处理效果，同时可大量减少能源的消耗。随着对反应机理的深入研究以及反应器规模和工艺的改进，MEC在废水处理领域必将展现广阔的发展前景。
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论文作者:陈旭彬
论文发表刊物:《基层建设》2016年19期
论文发表时间:2016/11/25
标签：阴极论文; 阳极论文; 生物论文; 电势论文; 电极论文; 废水论文; 硫酸盐论文; 《基层建设》2016年19期论文;