生物膜电极法在废水处理中的应用

生物膜电极法在废水处理中的应用

赵银平胡俊生肖琳

沈阳建筑大学市政与环境工程学院赵银平胡俊生肖琳

摘要：生物膜电极法是一项新型废水处理技术，该技术将电化学法和生物膜法有机结合，形成机理独特的废水处理单元。近年来深受学者关注，在处理生活污水、硝酸盐废水、酚类有机污染物废水和含重金属废水等领域具有良好的效果。本文综述了生物膜电极处理技术的基本原理、反应器设计、反硝化研究概况及应用前景，对亟待解决的问题进行了深入的理论探究，优化设计，并认为生物膜电极法在废水处理领域极具潜力，为生物膜电极法的发展提供有效的借鉴。

关键词：生物膜电极；废水处理；反硝化

1生物膜电极法的发展概况

生物膜电极法是近年来发展的一项新型废水处理技术，国内外学者对生物膜电极方法的研究主要集中于反硝化除氮研究。该技术将电化学法和生物膜法有机结合，形成机理独特的废水处理单元。它依靠生物自身对载体的吸附生长，将微生物固定于电极表面，形成一层生物膜，然后在电极间通入一定电流，使污染物在电化学和生物双重作用下得到降解。1992年，R.B.Mellor等在用生物膜电极方法进行反硝化实验研究中首次提出电极-生物反应器的概念，并且被Nature报道。其在电极反应器中所采用的生物膜电极，是将NO2-还原酶、NO3-还原酶以及N2O还原酶等具有电子传递能力的基质相混合后，固定在电极表面上。次年，Y.Sakakibara等人在推导模型时，提出了电极一生物膜的概念，而J.R.V.Flora则称之为生物膜电极。

2生物膜电极法的反应机理简介

针对目前生物膜电极的反应机理研究较少，从电极与表面细菌关系角度分析，可能存在以下几点联系：

(1)难生物降解的有机物通过电化学作用转化为中间产物，中间产物很难通过电化学处理技术进一步去除，微生物却可继续进行降解作用。

(2)污染物通过生物降解释放的代谢产物进一步被电极作用及时去除，从而使微生物保持稳定的活性。

(3)在电极表面紧密吸附着生物膜，传质关系良好，进而有效提高生物膜电极对体系中污染物的去除效率。

(4)在某一非正常电场环境中可能由于电催化作用，增强或激活其内部酶的活性，促进其新陈代谢作用。

3生物膜电极法在废水处理中的应用

早在1988年，U.Fuchs等就将生物法与电化学法结合起来，应用在反硝化除氮中。1998年，Islam等人运用生物膜电极反应器进行长期反硝化实验研究。结果发现，当电流为20mA，硝酸盐起缓冲作用时，硝酸盐去除率达98%以上，当电流为20~25mA时反硝化效果达最佳，废水中总硝酸根去除率可维持在75~80%之间，并未发现亚硝酸盐和N2O的积累，反硝化的结果很好。

2001年，Z.Feleke等研究用此法处理硝酸盐和杀虫剂。实验表明，在相应电流作用下，运用生物膜电极反应器可完全处理掉NO3-，在流出物中并未发现NO2-，但随着IPT的滞留，产物N2O会有所上升。而由于吸附柱的使用，N2O不会有所积累。次年，TomohideWatanabe等发现用此反应器进行反硝化过程，可处理含铜金属浸酸废水。实验以反硝化细菌吸附在石墨电极上作为阴极，石墨电极作为阳极，发现铜离子的去除与反硝化过程可在单一生物电极反应器中同时进行。

2007年，康博等人在用生物膜电极反应器降解对氨基二甲基苯胺的研究中，以Ti/PbO2氧化物涂层电极作为阳极，以对氨基二甲基苯胺的生物膜电极作为阴极，在25℃和pH为6~7的条件下进行实验，不仅对有机污染物的降解效率有明显的提高，而且电能消耗也同时降低，更加解决了在降解过程中电化学氧化带来的含氯有机物二次污染问题。

2010年，张雪娜等[1]采用生物膜电极法分别对苯酚、五氯酚和对甲基苯酚等难生物降解的酚类有机污染物进行降解可能性分析，并通过实验证实处理效果最佳环境。研究表明，采用生物膜电极法使苯酚降解的最佳条件：0.5mA/cm2电流密度，初始苯酚浓度低于200mg/L，温度35℃。对生物膜电极方法降解五氯酚的条件进行优化，发现在隔膜式电解槽（阴离子膜）中，五氯酚的最佳条件为电流密度1mA/cm2，初始五氯酚浓度为100mg/L，温度30℃。对甲基苯酚降解的最佳条件为电流密度0.5mA/cm2，初始浓度为100mg/L，温度35℃。

2011年，徐炉生等[2-3]以硝基苯、氯苯和二氯苯为目标污染物，利用生物膜电极法对其进行降解研究。研究发现，采用生物膜电极法与常规方法相比，能大幅提高对氯苯和二氯苯的降解速率，通过实验对中间产物的检测，结果表明，生物膜电极法较常规生物降解法的还原性更强，表现其氯苯、二氯苯先脱氯再降解开环的特点，阴极还原环境强弱对脱氯作用的重要性。

2013年，张雪娜对2,4—二氯代酚类化合物苯酚在隔膜式电解槽中研究不同离子交换膜对生物膜电极法处理，阴离子交换膜有利于该污染物在生物膜电极上的转化以及中间产物的去除[4]。

4结语

生物膜电极法具有良好的处理效果、装置结构简单、运行管理方便及处理费用低廉等优点，进而在废水处理领域中有广阔的应用前景，但是要应用于实际废水处理，很多问题还有待于研究和解决。例如：①电极材料的选择问题，既要考虑处理效果，又要考虑电能消耗和价廉易得。②电极面积、固定化生物量和极水比的增加问题。③固定化方法的选择问题，是采用简便易行的自然吸附法，还是采用培养技术复杂、生物量多和生物膜机械强度高的固定化载体法。④搅拌条件的控制问题，既要考虑促进物质迁移，又要考虑提高处理效果。

生物膜电极法是利用电化学法与生物膜法之间的耦合作用，对降解有害物质、提高处理能力等方面，都具有一定的积极意义。随着研究的不断深入，相信生物膜电极法将会在废水处理领域中发挥重要的作用。

参考文献

[1]张雪娜.生物膜电极法降解酚类有机污染物的研究[D].长春：吉林大学，2010.

[2]徐炉生，吴伟勇等.生物膜电极法降解硝基苯的研究[J].环境科学与技术，2011，34（2）：78-81.

[3]徐炉生，吴伟勇等.生物膜电极法降解氯苯、二氯苯的研究[J].环境污染与防治，2011，33（1）：70-73.

[4]张雪娜，钟新文等.生物膜电极法降解2,4-二氯苯酚[J].吉林大学学报（理学版），2013，51（6）：1169-1172.

基金项目：国家自然科学基金（51108277），2012-2014