微生物電化學(xué)污水處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)研究

黃澤祎

摘 要：隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)污水排放量日益增加，污水處理問(wèn)題已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要分析了微生物電化學(xué)技術(shù)在污水處理方面的優(yōu)勢(shì)，以及該技術(shù)在應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，希望此項(xiàng)工藝技術(shù)在實(shí)用的過(guò)程中能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低構(gòu)筑成本，提升運(yùn)行的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：微生物電化學(xué)技術(shù);污水處理;污水底物

近年來(lái)，我國(guó)愈發(fā)重視水資源與環(huán)境保護(hù)技術(shù)的研發(fā)，以此來(lái)革新傳統(tǒng)水處理工藝，減少能源的消耗。傳統(tǒng)污水水處理工藝具有的復(fù)雜調(diào)控模式使其無(wú)法得到廣泛應(yīng)用，而微生物電化學(xué)污水處理技術(shù)是一種新型的水處理工藝，能夠在去除污染物的同時(shí)減少能源消耗，對(duì)污水的綜合整治具有重要意義。

1 微生物電化學(xué)污水處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析

1.1 降低污泥產(chǎn)率

微生物電化學(xué)處理系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為MES，其工作原理為利用陽(yáng)極微生物新陳代謝效用，進(jìn)而將有機(jī)物分解并在電子陽(yáng)極導(dǎo)出，在陽(yáng)極電子的流動(dòng)過(guò)程中將會(huì)與陰極電子發(fā)生反應(yīng)，在形成電流的過(guò)程實(shí)現(xiàn)能量輸出，是MES的核心工作過(guò)程。從微生物代謝的角度來(lái)講，污水中的有機(jī)污染物與微生物細(xì)胞將會(huì)進(jìn)行分解代謝反應(yīng)，進(jìn)而起到去污作用。平均每1摩爾的葡萄糖在好氧代謝的過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生32摩爾ATP，進(jìn)而為微生物供給能量。好氧微生物通過(guò)借助能量進(jìn)行代謝反應(yīng)所形成的有機(jī)物質(zhì)，將遠(yuǎn)大于污泥的剩余量，可有效分解城市污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的剩余污泥。

1.2 在運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)能量自給

傳統(tǒng)的水處理方式無(wú)法有效利用污水中的能量，只是側(cè)重于去除污染物，并且在此過(guò)程中將會(huì)消耗大量的能量。我國(guó)當(dāng)前的水處理工藝主要分為好氧工藝與厭氧工藝，好氧工藝的特點(diǎn)為無(wú)法有效利用污水能量，厭氧工藝則需要根據(jù)實(shí)際工藝實(shí)施類型來(lái)決定能量投入。微生物電化學(xué)處理系統(tǒng)（MES）運(yùn)行中，可以代謝污水中的微生物，在污水中獲取能量，維持自身的能量平衡。MES可適用于高濃度污水中，將其中的大部分有機(jī)物礦化，并且在使用的過(guò)程中便于操作、無(wú)需曝氣，可以通過(guò)污泥處理工序來(lái)降低運(yùn)行成本。

1.3 利用電流強(qiáng)化去除污水底物

污水中蘊(yùn)含的大量微生物具有電子傳遞的能力，令MES陽(yáng)極具有廣泛的菌群來(lái)源，在混菌MES中，具備胞外電子傳遞能力的菌株與其他菌株共同存在、相互競(jìng)爭(zhēng)和依存，外電子傳遞的菌群一般無(wú)法直接降解較為復(fù)雜的有機(jī)物[1]。由于MES體系中電極間具有大量電流，MES反應(yīng)器可以促進(jìn)體系反應(yīng)。此外，MES的電流密度可以對(duì)外電阻起到調(diào)控作用，降低電阻進(jìn)而獲得較大電流，提高系統(tǒng)去除污泥的速率。

2 微生物電化學(xué)污水處理技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

2.1 構(gòu)建適用于放大的系統(tǒng)

在過(guò)去幾年里，陽(yáng)極電極微生物的電流密度在逐漸提升，MES陰極面積污水中的底物去除功率也在上升。但是由于反應(yīng)器的尺度不斷增加，導(dǎo)致MES去污性能降低，作為一種潛能巨大的污水處理技術(shù)，需要利用尺寸效應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)適用MES的放大構(gòu)型。經(jīng)過(guò)研究不同大小的反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)面壁電阻是致使MES系統(tǒng)功能降低的主要因素。由于MES內(nèi)阻在放大過(guò)程中的非理想衰減，即部分內(nèi)阻不隨著反應(yīng)器截面積的增大而等比縮小，這部分內(nèi)阻來(lái)源于電極和外電路接觸位點(diǎn)的歐姆內(nèi)阻，電極材料電阻導(dǎo)致的電極表面電流密度分布不均，小電流運(yùn)行導(dǎo)致的陽(yáng)極菌群性能退化。鑒于此，對(duì)于大型的MES，可以通過(guò)降低電極與外電路接觸電阻的方法來(lái)增加材料導(dǎo)電性，令外電路接入方式更加優(yōu)化，進(jìn)而改善MES運(yùn)行性能的衰減。

2.2 成本投入與運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題

微生物電化學(xué)污水處理技術(shù)能夠降低污泥產(chǎn)量，并且可以實(shí)現(xiàn)能量自給，本身具有較低的運(yùn)行成本，但是其系統(tǒng)的構(gòu)筑卻需要花費(fèi)大量的資金。此外，在復(fù)雜的污水環(huán)境中，電極材料的污染、腐蝕、結(jié)構(gòu)破壞以及電極催化劑的失活均會(huì)造成電極性能的迅速衰減。不同底物、啟動(dòng)條件以及運(yùn)行條件也會(huì)導(dǎo)致電極生物膜性能有所差異。在多MES模塊的堆棧結(jié)構(gòu)中，由于在流程中位置以及底物濃度的差異，長(zhǎng)期運(yùn)行后各模塊間電極生物膜也表現(xiàn)出不同性能。以上原因?qū)?huì)威脅到微生物電化學(xué)污水處理技術(shù)投入使用的穩(wěn)定性。

2.3 需要尋求適宜的水質(zhì)范圍

雖然MES可以投入應(yīng)用在多種有機(jī)污染物中，但是大多數(shù)的胞外電子傳遞菌群直接降解復(fù)雜有機(jī)物的情況較為少見(jiàn)，通過(guò)研究易降解水質(zhì)的情況，發(fā)現(xiàn)MES只能利用較為簡(jiǎn)單的底物，比如乙酸、甲酸、氫，在對(duì)具有高濃度復(fù)雜有機(jī)物的污水處理上，其運(yùn)行性能將會(huì)明顯下降。MES電極間具有有限的電流密度，一旦有過(guò)高進(jìn)水COD出現(xiàn)，MES將無(wú)法處理此類有機(jī)物，此時(shí)反應(yīng)器將降低有機(jī)物氧化的速率，進(jìn)而影響MES系統(tǒng)能夠獲得的最大電流。當(dāng)MES無(wú)法承受進(jìn)水COD能力時(shí)，發(fā)酵菌代謝產(chǎn)物將會(huì)迅速增加，抑制MES的電能獲取。此外，除了水質(zhì)中復(fù)雜的有機(jī)物能夠?qū)ES運(yùn)行產(chǎn)生影響以外，較低的底物濃度也會(huì)影響MES的運(yùn)行。過(guò)低的底物濃度會(huì)影響陽(yáng)極菌群的電流產(chǎn)生過(guò)程，令生物膜陽(yáng)極菌群代謝活性降低，減少M(fèi)ES中的電能。

3 結(jié)論

綜上所述，微生物電化學(xué)污水處理技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)污水處理技術(shù)相比具有一定的優(yōu)勢(shì)，具有較低的運(yùn)行成本，能夠利用平衡原理在去污過(guò)程中實(shí)現(xiàn)能量的自給自足，令去污過(guò)程循環(huán)進(jìn)行。但還是此項(xiàng)技術(shù)如今還未發(fā)展成熟，未來(lái)的污水處理技術(shù)中面臨著考驗(yàn)，還需加快科研步伐。

參考文獻(xiàn)：

[1]何偉華，等.微生物電化學(xué)污水處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)[J].電化學(xué)，2017，23（03）：283-296.