三維生物膜電極技術在污水處理中的應用及研究進展

吳莉娜， 李 進， 閆志斌， 蘇柏懿， 王春艷

(北京建筑大學城市雨水與水環境教育部重點實驗室， 北京 100044)

現有研究認為，3D-BER中同時存在物理、化學、生物作用及相互耦合作用[5]。作為一種符合中國國情的新興廢水處理技術，前期研究中，3D-BER主要用于去除污水中硝酸鹽氮[6]。近期，三維生物膜電極工藝在氨氮廢水、含磷廢水、染料廢水、重金屬廢水、抗生素廢水等廢水處理方面也取得了較大進展。結合3D-BER中外研究現狀，重點闡述3D-BER的結構特點、微生物種群及其實際應用，分析厭氧微生物在3D-BER中的應用可行性，并為三維生物膜電極技術工程化提供新思路。

1 三維生物膜電極技術原理及類型

1.1 原理及特點

三維生物膜電極技術的基本原理：同一體系中，通過耦合電化學反應和生物作用，充分發揮陰極、陽極、填料電極的生物載體作用，利用電化學氧化還原、微生物新陳代謝(生物膜)、物理化學吸附及其相互作用，達到高效、低耗去除廢水中污染物的目的。

0.16C5H7O2N+N2+5.6H2O+2.16OH-

(1)

磷的去除主要是通過電場刺激提高除磷功能菌的生物活性，促進反應器中的好氧吸磷和厭氧釋磷過程，從而增強生物除磷效果[8]，同時體系中發生的物理吸附和化學沉淀也起到關鍵作用。重金屬離子則是利用3D-BER的電化學-生物吸附作用實現轉化、去除[9-10]。

(2)3D-BER去除有機物：一是利用陰極區提供的厭氧還原條件和H2加快難降解有機物的生物還原速率，陽極區則產生好氧氧化條件和O2完成污染物中間體的轉化；二是利用主極產生的羥基自由基(OH·)以及顆粒電極上電氧化產生的強氧化劑(如H2O2、Cl2、HClO)分解難降解物質，從而達到高效處理有機廢水目的[8,11-12]。

(3)3D-BER技術特點如下：①能源消耗低，處理效率高，出水水質好，抗沖擊、負荷能力強，高濃度廢水處理中優勢明顯；②反應器優化空間大，耦合方式多樣，應用前景廣闊；③反應器結構緊湊，占地面積小，易監管調控，易設備化、工程化；④反應機理復雜，物理-化學-生物同步反應，提供更多氧化還原可能性。

1.2 反應器類型

三維生物膜電極技術是電化學反應耦合生物作用的技術，其反應器構造需滿足耦合技術的特性需求。通過優化反應器結構(如反應器形狀、電極布置形式、極板間距、反應分區等)，加快反應器啟動，提高去除效率，節約反應空間，降低能源消耗。目前，根據耦合形式可將3D-BER分為中心型、平板型、分隔型和復合型。其中中心型3D-BER應用最為廣泛，復合型3D-BER則更符合技術發展趨勢。

隨著研究的不斷深入，更多滿足污水多元化處理需求(如廢水種類、水質指標、經濟適用等)的復合型3D-BER會被開發。加強三維電化學與厭氧生物法的耦合技術研究，提高3D-BER集成技術的創新性，進一步降低處理成本，加速實現3D-BER國產化、工程化。

2 三維生物膜電極技術在廢水處理中的應用

2.1 無機廢水

2.2 有機廢水

3 三維生物膜電極技術研究進展

3.1 反應器啟動

加強3D-BER啟動過程的研究，有利于縮短掛膜時間、實現處理效果穩定和豐富生物多樣性，目前主要通過掛膜、馴化、穩定三階段實現3D-BER的啟動。

目前，針對三維生物膜電極技術的研究主要集中在反應器構造、電極材料和影響因素方面，關于3D-BER啟動特性研究不夠深入，應加強陰極、陽極和顆粒電極掛膜過程的微生物種群分析，對比不同掛膜方式、馴化方法下3D-BER啟動情況，探究溫度、梯度電流、HRT對反應器啟動的影響，實現快速低耗啟動反應器的同時獲得高效穩定的處理效率。

3.2 電極材料

3D-BER中電極材料的選擇需要綜合廢水種類、處理效率、使用壽命、價格成本進行考量，能夠整體滿足物理、化學和生物作用及其相互作用(如吸附、生物降解、電吸附、電化學氧化和電生物降解[39])的客觀要求。

3.3 微生物多樣性

研究廢水處理過程中3D-BER的微生物多樣性對優化反應器性能具有重要意義。目前有關3D-BER中微生物種群的研究較少，其中以脫氮菌群特征的研究為主。

李素梅等[14]采用3D-BER處理硝酸鹽氮廢水時，掛膜培養后，采用電鏡掃描填料生物膜發現，優勢菌形態由污泥中的球狀COD降解菌(1 μm左右)轉變為生物膜中的反硝化短狀桿菌(1～2 μm)。這一研究結果與郭勁松等[17]在3D-BER全程自養脫氮中的報道類似，陰極活性炭纖維氈與活性炭顆粒表面優勢菌分別為短桿狀和微球狀氫自養反硝化細菌。隨著研究不斷深入，王建超等[48]探究三維生物膜電極耦合硫自養反應器(3DBER-S)脫氮機理，根據16S rDNA克隆文庫結果顯示，3DBER-S中β變形菌綱(β-proteobacteria)具有絕對優勢，占比47.89%，其中與具有反硝化功能的陶厄氏菌(Thauera)、硫桿菌(Thiobacillus)和食酸菌(Acidovorax)相似的細菌分別占52.94%、17.65%和14.71%，表明3DBER-S中發生了異養耦合氫自養反硝化以及硫自養反硝化協同脫氮反應。徐忠強等[4]同樣利用3DBER-S進行廢水脫氮研究，分析陰極生物膜的菌群特征，與王建超等[19]研究一致的是β變形菌綱仍為優勢反硝化菌，占細菌總數的59.22%；不同的是，其中與固氮弧菌(Azoarcustolulyticus)、趨磁螺菌(Magnetospirillummagneticum)類似的異養反硝化細菌分別占44.74%、21.05%，而與能夠以S單質和H2為電子供體進行反硝化脫氮的陶厄氏菌屬(Thauera)相似的細菌僅占7.9%。另有硫單胞菌(Sulfuricelladenitrifican)、高氯酸鹽降解菌(Dechlorospirillumsp.)異養反硝化相似菌占5.26%和3.95%[4]。也有報道稱，厭氧條件下陶厄氏菌(Thauera)能以有機物(如苯酸鹽、乙酸鹽等)為電子供體進行反硝化[47,52]；由此可見，3D-BER中的微生物功能反應是復雜的，其他更多菌綱微生物(如γ變形菌綱，γ-Proteobacteria、ε變形菌綱，ε-proteobacteria等)在3D-BER中的功能有待進一步探究。

表1 三維生物膜電極技術中典型電極材料

近期，3D-BER在重金屬、抗生素、有機染料等污染物的去除方面也取得相應進展。Li等[26]處理含抗生素(SDZ、CIP)、重金屬(Zn)共存廢水時，變形桿菌(Proteobacteria)是陰極生物膜的優勢菌，所占比例為30.7%，其次是擬桿菌(Bacteroidetes)、綠彎菌(Chloroflexi)、脫硫葉狀菌(Desulfobulbus)、厚壁菌(Firmicutes)、酸桿菌(Acidobacteria)等分別占16.7%、11.8%、3.4%、2.8%、2.1%。Zhang等[37]處理SMX、COD廢水時，分析3D-BER中主要微生物種群的組成和相對豐度，與Li等[26]研究結果相似，變形桿菌(Proteobacteria)作為優勢菌占比 47.3%。Wang等[53]在SDZ和CIP的生物降解過程中也檢測到大量的變形桿菌(Proteobacteria)、擬桿菌(Bacteroidetes)和酸桿菌(Acidobacteria)參與，且發現擬桿菌(Bacteroidetes)能有效降解難降解有機物。Xue等[54]還發現變形桿菌(Proteobacteria)具有去除磺胺甲惡唑、降低廢水毒性的功能。另外，Li等[26]還在陰極生物膜發現了甲苯單胞菌(Tolumonas)等具有降解抗菌有機物功能的菌屬，可能在抗生素目標污染物去除中起關鍵作用[25]。Wang等[55]還報道稱變形桿菌(Proteobacteria)和擬桿菌(Bacteroidetes)菌屬包含多種電化學活性細菌，從而保證了3D-BER的處理效果。為進一步明確細菌功能，Li等[26]采用FAPROTAX進行功能注釋預測，鑒定出包括9門、37屬的主要功能細菌，其中甲烷營養(16屬)、產甲烷(13屬)、硝化(6屬)、硫酸鹽呼吸(7屬)、發酵(26屬)、芳香烴降解(2屬)，碳氫化合物降解(15屬)、鐵呼吸(12屬)和化學異養(32屬)。

4 結論及展望

目前，三維生物膜電極技術仍處于實驗室研究階段，中外研究主要集中在反應器構造、電極材料、影響因素(如電場強度、pH、溫度等)，但在電-生物耦合作用方面，多處于宏觀效應層面，對微觀機理研究不夠深入，且針對反應器中微生物種群結構、生物酶活性及細菌功能方面的理論研究相對分散，尚不健全，制約了3D-BER技術的進一步發展。針對3D-BER研究現狀，現提出一些需要加強研究和亟待解決的重點、難點問題。

(1)基于分子生物學，揭示電場刺激與微生物生長、代謝、多樣性的相互關系，結合多種現代化檢測、分析技術，解析3D-BER中電化學和微生物作用機理。

(2)重視厭氧微生物耦合3D-BER反應器的開發研究，尤其是三維厭氧氨氧化生物膜電極反應器的構建，有利于實現全程自養脫氮，深度脫氮除碳。

(3)加強3D-BER在醫療廢水、染料廢水、苯酚廢水、垃圾滲濾液等方面的處理研究，確定、篩選相應的功能菌屬，明確關鍵控制因子與不同污染物去除的定量關系，尋求最佳反應條件，加強工程適用性分析，拓展3D-BER的應用面。

(4)重點開發高效復合型3D-BER及廉價耐用、電活性高的顆粒電極，尤其是新型負載電極、涂料電極的研究。

(5)加強3D-BER中電活性微生物抗負荷研究，通過控制系統電場強度、濃度、溫度、pH等影響因素，探討最優反應條件，為未來實際應用提供理論基礎。

(6)作為一種新型廢水處理技術，應加強中試研究，擴大處理研究規模，快速實現設備化、工程化。