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

黃澤祎

摘 要：隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，工業(yè)污水排放量日益增加，污水處理問題已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點。本文簡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，以及該技術(shù)在應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，希望此項工藝技術(shù)在實用的過程中能夠進一步簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低構(gòu)筑成本，提升運行的穩(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，我國愈發(fā)重視水資源與環(huán)境保護技術(shù)的研發(fā)，以此來革新傳統(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減少能源消耗，對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)勢分析

1.1 降低污泥產(chǎn)率

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

1.2 在運行中實現(xiàn)能量自給

傳統(tǒng)的水處理方式無法有效利用污水中的能量，只是側(cè)重于去除污染物，并且在此過程中將會消耗大量的能量。我國當(dāng)前的水處理工藝主要分為好氧工藝與厭氧工藝，好氧工藝的特點為無法有效利用污水能量，厭氧工藝則需要根據(jù)實際工藝實施類型來決定能量投入。微生物電化學(xué)處理系統(tǒng)（MES）運行中，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物礦化，并且在使用的過程中便于操作、無需曝氣，可以通過污泥處理工序來降低運行成本。

1.3 利用電流強化去除污水底物

污水中蘊含的大量微生物具有電子傳遞的能力，令MES陽極具有廣泛的菌群來源，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、相互競爭和依存，外電子傳遞的菌群一般無法直接降解較為復(fù)雜的有機物[1]。由于MES體系中電極間具有大量電流，MES反應(yīng)器可以促進體系反應(yīng)。此外，MES的電流密度可以對外電阻起到調(diào)控作用，降低電阻進而獲得較大電流，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)

在過去幾年里，陽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)來設(shè)計適用MES的放大構(gòu)型。經(jīng)過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)阻來源于電極和外電路接觸位點的歐姆內(nèi)阻，電極材料電阻導(dǎo)致的電極表面電流密度分布不均，小電流運行導(dǎo)致的陽極菌群性能退化。鑒于此，對于大型的MES，可以通過降低電極與外電路接觸電阻的方法來增加材料導(dǎo)電性，令外電路接入方式更加優(yōu)化，進而改善MES運行性能的衰減。

2.2 成本投入與運行穩(wěn)定性問題

微生物電化學(xué)污水處理技術(shù)能夠降低污泥產(chǎn)量，并且可以實現(xiàn)能量自給，本身具有較低的運行成本，但是其系統(tǒng)的構(gòu)筑卻需要花費大量的資金。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造成電極性能的迅速衰減。不同底物、啟動條件以及運行條件也會導(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，長期運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){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)雜有機物的情況較為少見，通過研究易降解水質(zhì)的情況，發(fā)現(xiàn)MES只能利用較為簡單的底物，比如乙酸、甲酸、氫，在對具有高濃度復(fù)雜有機物的污水處理上，其運行性能將會明顯下降。MES電極間具有有限的電流密度，一旦有過高進水COD出現(xiàn)，MES將無法處理此類有機物，此時反應(yīng)器將降低有機物氧化的速率，進而影響MES系統(tǒng)能夠獲得的最大電流。當(dāng)MES無法承受進水COD能力時，發(fā)酵菌代謝產(chǎn)物將會迅速增加，抑制MES的電能獲取。此外，除了水質(zhì)中復(fù)雜的有機物能夠?qū)ES運行產(chǎn)生影響以外，較低的底物濃度也會影響MES的運行。過低的底物濃度會影響陽極菌群的電流產(chǎn)生過程，令生物膜陽極菌群代謝活性降低，減少MES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)相對于傳統(tǒng)污水處理技術(shù)相比具有一定的優(yōu)勢，具有較低的運行成本，能夠利用平衡原理在去污過程中實現(xiàn)能量的自給自足，令去污過程循環(huán)進行。但還是此項技術(shù)如今還未發(fā)展成熟，未來的污水處理技術(shù)中面臨著考驗，還需加快科研步伐。

參考文獻：

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