电生物技术在水处理中的进展研究

本科生学年论文（设计）论文（设计）题目电生物技术在水处理中的进展研究作者分院、专业理工分院环境科学班级环科指导教师（职称）字数成果完成时间电生物技术在水处理中的进展研究摘要介绍了电生物强化技术的机理及该技术的主要影响因素和电生物反应器的发展，总结了该技术在废水处理中的应用情况并针对在基础研究和工程应用中存在的主要问题，提出了未来研究方向。关键字电生物强化影响因素电生物反应器废水处理电生物耦合技术偶氮染料废水水解好氧接触氧化PROGRESSINRESEARCHOFBIOLOGICALTECHNOLOGYINWATERTREATMENTABSTRACTINTRODUCESTHEELECTRICALANDTHEMECHANISMOFTHEBIOLOGICALSTRENGTHENINGTECHNOLOGYANDTHEMAININFLUENCINGFACTORSOFTHISTECHNOLOGYANDTHEDEVELOPMENTOFTHEELECTRICBIOREACTOR,THEAPPLICATIONOFTHISTECHNOLOGYINWASTEWATERTREATMENTARESUMMARIZEDANDTHEBASICRESEARCHANDENGINEERINGAPPLICATION,THEMAINPROBLEMSINTHEFUTURERESEARCHDIRECTIONAREPUTFORWARDKEYWORDSELECTRICMICROORGANISMINFLUENCINGFACTORSELECTRICBIOREACTORWASTEWATERTREATMENTELECTRICITYBIOLOGICALCOUPLINGTECHNOLOGYAZODYEWASTEWATERHYDROLYSISAEROBICCONTACTOXIDATION目录1研究背景32电生物技术的原理33电生物技术的研究进展34电生物耦合技术对偶氮染料废水处理的研究进展35展望3参考文献3电生物技术在水处理中的进展研究1研究背景随着世界各国现代工业的迅猛发展,能源的需求量也随之急剧增加,但二十世纪末以来,我们却面临着燃料煤炭、化石能源日益枯竭,新能源的开发缓慢、能源费用上涨的挑战,因而节约有限能源、降低工业生产中的能耗是当务之急。电化学科学的研究恰好适应了这种要求,电化学科学是以研究如何加速电极上电催化反应速度、降低电极电位为研究内容,与节能降耗密切相关,特别是在强电流电解过程中的节能,采用电催化电极更是起了巨大的作用因此,高效、稳定的电催化电极的研究、开发是电催化科学研究的重要课题而且,电化学水处理技术因其具有多功能性、高度的灵活性、易于自动化、无二次污染等其它水处理技术无法比拟的优点,正成为国内外水处理技术研究的热点课题,尤其对那些难于生化降解、对人类健康危害极大的“三致”致癌、致畸、致突变有机污染物的去除具有很高的效率,并且又能节省大量的能源。因而,电化学水处理技术近年来已成为世界水处理技术相当活跃的研究领域,受到国内外的广泛关注14。世纪后期出现了以电为基础，将电场和生物结合来处理废水的新型水处理技术。国外报道最早的是1988年UFUCHS等1将生物处理方法与电化学方法结合起来，应用于反硝化除氮的研究。1992年，RBMELLOR等2首次采用电极生物反应器进行反硝化实验，使NH3N、NOX的去除率分别达到95和85以上，实现较好的反硝化效果。康博等3采用生物膜电极对氨基二甲基苯胺进行降解，5H后取得了100的去除率，相同条件下单纯的生物法降解对氨基二甲基苯胺时，去除率仅达到1334。此外，有研究者对染料废水、苯酚废水、硝基苯类废水等均进行了研究，取得了较理想的效果。将电场与生物处理结合，可充分发挥各自的长处，实现互补和增强而这种结合所产生的水处理新工艺将具有巨大潜力和应用前景。2电生物技术的原理外电场的促进作用主要是利用电化学过程或者电解反应中产生的活性物质促进微生物的生长，并利用电解微生物的协同作用而使水中的某些污染物降解和净化。电微生物系统是一个复杂的多酶系统，总结国内外文献，目前认为电流的促进作用可能由几下几方面引起（1）在外加电流的刺激下，细胞膜可能扩大，使营养物质容易通过细胞膜，促进微生物生长，CHANG等5研究认为直流电可用来刺激固定化细胞得到140增长，可能是通过电渗析和电泳的作用加强了固定化介质中有害物质的去除，并增加了葡萄糖的补给。（2）微生物处于特定电场中，可能产生电催化作用，激活或增强某些酶的活性，从而促进酶的生物活性反应，提高微生物的废物处理能力，王耀发等6研究结果表明，应用小幅值交变电化学（E10MVCM2）可以影响细胞的代谢过程、细胞的基因表达、细胞增殖、酶活力、膜转移和细胞膜的通透性，影响细胞内的自由基反应和生物高分子的合成。（3）电解可以产生氢或氧，有利于需要它们的菌类作为营养源。细菌THIOBACILLUSFERROOXIDANS可将FE2氧化为FE3而生长，通过电化学反应可源源不断地提供FE2或将FE3再生为FE2，从而增加细菌的生物量，这项技术现已得到利用7。生物膜电极进行反硝化作用时，H从生物膜外因外电场吸引力作用而穿透生物膜向内扩散，生物膜中的微生物能够高效利用H进行反硝化作用8，且阴极上产生的氢气又通过生物膜溢出，在生物膜附近形成了缺氧环境，有利于反硝化细菌的生长。（4）难生物降解的物质在电极上经电化学作用转化为生物可利用的中间产物，这些中间产物难以进一步电解氧化，但是可直接被微生物利用，作为碳源或能源，实现污染物的去除。另外，直流电极直接还原去除金属离子、利用电泳现象吸附离子配合物，可能使微生物降解污染物过程中产生的有害代谢产物及时在电极上去除，以维持微生物生长的良好环境，使微生物在较长时间里保持活性稳定。3电生物技术的研究进展电生物耦合技术是近几年才发展起来的一种以电化学和微生物对污染物的降解作用为基础的新型废水处理技术。该技术在外电场的促进作用下，利用电化学过程中产生的活性物质促进微生物生长，并通过电化学与微生物的协同作用而使水中的污染物得到降解和净化。通过在电极上进行微生物挂膜、微电流驯化等方法制得附有微生物的电极，之后在电极间通以电流进行电解，电解时阴极表面产生的氢被固着在阴极表面的生物高效利用，达到反硝化效果。最早应用在废水的反硝化脱氮处理中。利用反硝化细菌将废水中硝酸盐氮还原成氨氮进而实现脱氮的目的。电生物耦合技术已经取得了不错的成果，尤其是在处理含低浓度硝酸盐氮的饮用水和地下水等方面。4电生物耦合技术对偶氮染料废水处理的研究进展国外学者最早对电生物耦合技术的研究最多的是反硝化脱氮，近年来国内学者对电生物耦合技术处理偶氮染料废水也进行了一定的研究。赵玉华等9利用电生物耦合法对偶氮染料废水去除效果进行了试验研究。试验采用的偶氮染料活性艳红X3B模拟废水分别由电生物耦合水解好氧接触氧化工艺和生物水解好氧接触氧化工艺处理来进行处理效能对比。结果表明在施加微型直流电场或是交流电场的条件下，电生物水解反应器对废水的处理效果比生物水解反应器更好。在稳定的运行阶段，当直流电流密度为0071MA/CM2时，由电生物水解反应器处理的活性艳红X3B料平均去除率为8599，由电生物耦合水解接触氧化工艺对染料的平均去除率为9603。在同一时期，生物水解反应器处理的活性艳红X3B染料平均去除率为423，生物水解MBR工艺为8484。随着直流电流密度的增加，染料去除率也大幅度地提高。电生物水解反应器中所释放的氨氮含量比生物水解反应器更多，这说明前者反应器的水解反应比后者的更彻底。曹宏斌等10在电生物耦合技术处理酸性红A染料废水的试验中，分别研究了该技术处理浓度为74MGL1的酸性红A有机废水的影响因素，其中包括电解电流、阳极材质、甲醇浓度和氯离子浓度。结果显示，甲醇可以作为微生物代谢酸性红A的共代谢基质。当外加电流为300MA时，水中酸性红A和CODCR的去除率分别为79和84，去除率均高于未施加电流时的59和76。当铁作为阳极时，除了部分有机分子被电极氧化外，部分铁还会被溶解，生成FE3或FE2，这两种离子很容易与ARA结合生产沉淀，这样可以提高了酸性红A的去除速率，但是会产生大量的絮凝沉淀物质。但如果电解电流过高（超过100MA），填料表面生物膜内微生物的活性将受到抑制。5展望电生物耦合技术作为一种新型的水处理技术，仍处于探索阶段，需要不断拓展新的应用领域。到目前为止，电生物耦合技术对处理某一类染废水的研究比较集中，但对不同染料废水的对比研究却很少；电化学的其他方面如电迁移作用、阳极反应等在微生物体系中应用研究也很少。同时，还需开发出更加低能耗、高效的复合型电生物反应器，使电化学和微生物之间的耦合作用得以充分发挥。因此，应深入探究电化学与微生物反应之间的相互作用，深化其机理，寻找二者结合的新方法，充分发挥二者各自的优势，弥补对方的不足，从而进一步促进电生物耦合技术的发展11。参考文献1冯玉杰电化学技术在环境工程中的应用M北京化学工业出版社20025,6070,76942GATTRELLD,WKIRKDSTUDYOFELECTRODEPASSIVITYDURINGAQUCOUSPHENOLELECTROLYSISJJOURNALOFTHEELECTROCHEMICALSOCIETY,199314049039113GANDINID,MAHEE,MICHAAUDPA,ETALOXIDATIONOFCARBOXYLICACIDSATBORONDOPEDDIAMONDELECTRODESFORWASTEWATERJJOURNALOFAPPLIEDELECTROCHEMISTRY,2000,3012134513504STUCKIS,KOTZR,CARCERB,ETALJAPPIELECTROCHEM1991,21991015YHDCHANG,AJGRODZINSKY,DICWANGAUGMENTATIONOFMASSTRANSFERTHROUGHELECTRICALMEANSFORHYDROGELENTRAPPEDESCHERICHIACOLICULTIVATIONJBIOTECHNOLBIOENG,1995,4821491576王耀发,叶士景,陈家森,等低频电磁场对细胞生物效应的研究J中华物理医学与康复杂志,1998,20278807SNAKASONO,NMATSUMOTO,HSAIKIELECTROCHEMICALCULTIVATIONOFTHIOBACILLUSFERROOXIDANSBYPOTENTIALCONTROLJBIOELECTROCHEMBIOENERG,1997,43161668YSAKAKIBARA,KARAKI,TTANAKA,ETALDENITRIFICATIONANDNEUTRALIZATIONWITHANELECTROCHEMICALANDBIOLOGICALREACTORJWATSCITECH,1994,3061511559ZHAOYUHUA,DON