人工湿地-微生物燃料电池处理废水的研究进展.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:国家自然科学基金()江苏省重点研发计划(社会发展)面上项目()连云港市社会发展项目()新疆生物固废资源化工程技术研究中心开放课题()作者简介:杨菁()女江苏扬州人在读硕士研究生师从骆辉讲师主要从事水处理技术与水污染控制的研究电话:.通信作者:骆辉()男江苏连云港人讲师博士主要从事水污染控制工艺的研发 电话:.人工湿地微生物燃料电池处理废水的研究进展杨菁骆辉蔡冰鑫掌文浩王惠腾秦腾杨明宇荆肇乾何宝杰(.江苏海洋大学 土木与港海工程学院江苏 连云港.南京林业大学 土木工程学院江苏 南京.重庆大学 建筑城规学院重庆)摘 要:介绍了人工湿地微生物燃料电池系统的脱氮原理、净化多类废水(含铬废水、含酚废水、高盐度废水、抗生素废水及含氮废水等)的效能总结利用人工湿地微生物燃料电池的方法处理这几种废水的研究现状并分析了影响人工湿地微生物燃料电池处理效率的因素(水力停留时间、湿地植物与微生物、电极和温度等)最后分析其产电特征以期为人工湿地微生物燃料电池系统在处理废水的应用中提供参考关键词:人工湿地微生物燃料电池高盐废水影响因素产电微生物中图分类号:文献标识码:文章编号:()()(.):(.)(.).:近年来随着全球经济及工业化进程的快速发展能源问题日益突出大多数城市仍使用传统的污水处理方法 人工湿地()作为一种可持续、环境社会友好型和成本效益高的废水处理技术被认为是去除大面积低污染水体的有效途径 微生物燃料电池()作为一种新型微生物电化学技术可以在降解各种污染物的同时产电 而传统污水处理工艺能耗较高因此研发低能耗、少污染的应用化工第 卷新处理技术迫在眉捷 将微生物燃料电池()与人工湿地()相结合是一种新型的污水处理过程中获取生物电能的方法二者都以微生物作用达到污水净化效果且 所需的氧化还原条件可以在 中实现本文主要介绍了使用人工湿地微生物燃料电池()的方法处理各类废水的进程分别净化多类废水(含铬废水、含酚废水、高盐度废水、抗生素废水及含氮废水等)的效能并分析了影响人工湿地微生物燃料电池处理效率的因素(水力停留时间、湿地植物与微生物、电极和温度等)最后分析其产电特征并对使用人工湿地微生物燃料电池()处理废水的研究进展进行了总结和展望 人工湿地微生物燃料电池处理废水人工湿地微生物染料电池()对传统的垂直流人工湿地()进行改造 的下部处于厌氧状态为 的阳极室提供了条件上部接触空气作为 的好氧阴极将二者进行结构上的耦合在外部电路的连接下产生弱电流促进人工湿地系统的脱氮作用 阳极区有利于厌氧氨氧化菌的富集能促进厌氧氨氧化反应使水体中难以去除的亚硝酸盐转化为氮气脱离水体从而达到去除总氮的效果该运行模式有助于减少气体在反应器内的累积保持系统的氧化还原条件以强化 对污染物的处理能力能有效降低系统运行成本并且提高污染物去除率和产电性能 图 是人工湿地微生物燃料电池系统的脱氮原理图图 人工湿地微生物染料电池系统脱氮原理图.主要由降解有机物的微生物、净化污水的植物以及起透水、吸附、稳定及过滤作用的基质等要素构成 该系统的构型配置方式主要有升流式垂直流()、复合式垂直流()、上下同时进水式垂直流、组合式垂直流、潮汐流()和太阳能升流式.含铬废水金属电镀、油漆和颜料、皮革制革、纺织染色、木材防腐及耐火材料等工业领域会排放大量的含铬废水 由于涉铬行业众多铬污染问题具有普遍性此外重金属自身不具备降解性含铬废渣及废水的不当排放对环境造成了严重的污染 废水中的铬主要以三价铬()和六价铬()的形态存在 六价铬()具有毒性为吞入性毒物/吸入性极毒物能够通过消化、呼吸道、皮肤及黏膜侵入人体从而导致皮肤过敏、呼吸道感染、遗传性基因缺陷等问题微生物燃料电池法处理()废水根据阴极催化剂种类可以将 分为生物阴极和非生物阴极 高雄英等利用双室微生物燃料电池反应器对比了不同初始()浓度下化学阴极与生物阴极的产电及()去除情况 结果表明图 中在各()浓度梯度下生物阴极的产电性能及()去除性能均优于化学阴极随着初始()浓度的增加生物阴极的产电性能优势更为明显牛永艳研究了铬还原菌株 在微生物燃料电池生物阴极中的应用结果显示使用生物阴极时()的还原率较化学阴极增加.赵立新等以葡萄糖为阳极燃料、含铬废水为阴极液/碳毡为阳极、石墨板为阴极构建了双室微生物燃料电池考察了阳极条件(底物浓度)及阴极条件(、初始六价铬浓度)对含铬废水的降解及 的产电性能的影响结果表明低阴极液 和高初始()浓度 能 改 善 产 电 性 能 当 、初 始()浓度为 /、反应时间为 时最大输出功率为 /()去除率为.在微生物燃料电池中阴极极化较小表明该燃料电池有稳定的性能微生物燃料电池对含铬废水的处理有应用潜力并能同步产电金春姬等通过向阴极曝气建立空气阴极体系实验结果显示()初始浓度一定时()的去除效率和电池的最大输出功率都随 值的降低而升高 由图 可知在 时获得最佳的处理效果和产电性能初始浓度为 /的()经过 的处理后去除率达到同时获得的最大功率密度达./对比氮气阴极与空气阴极发现空气阴极不仅能加快()的去除效率(提高约)而且能增大系统的最大功率密度从而提高 的产电性能第 期杨菁等:人工湿地微生物燃料电池处理废水的研究进展图 不同初始()浓度下 种阴极的()去除率.()()图 对()去除的影响.().含酚废水含酚废水主要是指炼焦、炼油、造纸、塑料、陶瓷、纺织等工业产生的酚类有机污染物废水 当废水中的苯酚质量浓度高于./时微生物的活性会 受 到 抑 制 当 废 水 中 苯 酚 质 量 浓 度 高 于/时、和 的去除效率均会受到显著影响汪家权等以传统厌氧消化作对照研究不同温度、底物浓度、盐桥管径以及有无接种微生物对微生物燃料电池处理苯酚废水性能的影响 实验结果显示使用 技术可以在处理苯酚废水时获得一定的电能 能够在较低温度()下运行当苯酚初始浓度为./随着温度()的增加苯酚的降解效率和 的产电性能也随着提高.高盐度废水高盐废水是指氯化钠含量至少 的废水其主要来源包括化工工业用水、海产品加工及海水渗流至浅层地下水等 在各类废水中高盐废水具有分布广、有机污染物浓度高、处理成本较高等特点是一种不易处理的废水路通等以模拟高盐废水为处理对象利用人工湿地耦合微生物燃料电池()体系处理质量分数为 和 的 种盐度的废水考察了其在高盐环境下的污染物去除效果结果表明体系具有稳定的输出电压并可持续地为阴极反硝化过程提供电子供体.抗生素废水废水中的抗生素主要有磺胺类(简称 主要有磺胺嘧啶、磺胺甲恶唑等)、四环素类(简称 主要有金霉素、土霉素等)、大环内酯类(简称 即红霉素类抗生素)、氟喹诺酮类(简称 包括诺氟沙星、环丙沙星等)、内酰胺类(包括青霉素类、头孢菌素类等)抗生素作为一种抗菌类药物被广泛用于医疗、畜牧以及水产养殖等领域大量抗生素未经代谢就进入环境由此引起的细菌耐药性问题严重威胁着生态环境和人体健康 抗生素废水的处理方法一般包括:物理法、氧化法和生物法三大类 表 选取了几种典型的物理法与生物法进行了对比表 抗生素废水的处理方法的对照 处理方法具体方法优缺点文献来源物理法混凝法在废水中加入聚合化铝()等絮凝剂使水中胶体脱稳与水中悬浮物絮凝依靠重力作用沉淀优点:悬浮物、浓度均有所降低前者效果较为显著缺点:操作流程复杂且较为费时混凝剂本身会导致絮凝物的形成影响水质混凝剂的加入种类及加入量较为局限受多种因素影响吸附法物理吸附是由吸附质和吸附剂分子间作用力引起的发生在任何固体表面化学吸附又称为活化吸附主要是固体表面与吸附质间的化学键起作用优点:低成本、处理效果显著、工艺简单、吸附率高、不产出毒性物质缺点:吸附饱和后效果下降解析后废液难以处理无法完全消除且吸附剂的吸附能力受吸附剂种类及用量等因素的影响生物法活性污泥法一种污水的好氧生物处理法主要将废水与活性污泥搅拌并曝气吸附抗生素并进行生物降解序批式活性污泥法(法)一种按间歇曝气方式运行的污水处理技术没有污泥回流系统具有厌氧和好氧生物处理的协同作用能实现对抗生素废水的有效处理优点:工艺流程简单、运行成本低且方式灵活、脱氮除磷能力较强、适合建设空间不足及流量变化大的抗生素废水的处理应用化工第 卷 李骅等采用黄沙作为填充基质活性炭颗粒作为阴阳极的填充材料构建 研究 对以磺胺甲恶唑()和四环素()为代表的抗生素废水的处理效能和产电效能结果表明系统对磺胺甲恶唑()和四环素()的去除分别以微生物降解和吸附为主:四环素极性较强在酸碱条件下均不稳定在中性条件下能与多种金属离子形成不溶性螯合物因此进入系统后能够立即被填料稳定吸附磺胺甲恶唑几乎不溶于水但易被微生物降解进水抗生素浓度越高出水浓度越高系统开路电压越低 杨可昀在垂直流人工湿地中构建微生物燃料电池()以人工模拟生活污水并选取了两种抗生素作为底物(四环素和磺胺甲恶唑)探讨了影响净化及产电效能的因素结果表明 进 水 抗 生 素 浓 度 和 共 基 质 浓 度 都 会 影 响 的产电性能 综上所述 能够有效去除废水中的抗生素进水抗生素浓度、共基质浓度等都是影响其处理效率的重要条件该系统对抗生素的降解在适量的共基质浓度下具有显著效果李峰等构建了闭路运行()与开路运行()的微生物燃料电池型人工湿地研究了不同电路运行模式下微生物燃料电池型人工湿地对、以及抗生素的去除效果结果表明闭路运行模式下 对盐酸环丙沙星()与磺胺甲恶唑()两种抗生素的去除效果均显著高于开路运行模式 以上研究结果表明闭路运行模式下 处理高浓度抗生素废水具有更好的潜力.含氮废水水中氮是水体的主要污染物之一且存在形式多样主要有 种形态分别为氨氮、有机氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮 水中氮排放过多会对水体造成危害当水中总氮含量 ./时达到富营养化的标准易加速藻类繁殖及出现水华赤潮等现象此类现象都会严重破坏生态稳定造成水生动物大量死亡管凛等构建了两组 反应器(分别以氨氮和硝态氮作为单一氮源)来考察 对高浓度 和氨氮废水的净化和产电机理 实验结果显示通过生物硝化去除氨氮的过程在阴极区进行随着脱氮菌种的增加氨氮、硝态氮的去除率均平稳上升同时以氨氮为氮源的反应器产出电压和最大功率密度均高于以硝态氮为氮源的反应器 人工湿地微生物燃料电池处理效率影响因素.水力停留时间()水力停留时间()与有机负荷率有着密切的关系是影响 中有机物和养分去除的最主要因素 等研究了 个(.)对 中 产电和降解特性的影响结果显示功率密度、库仑效率、开路电压、脱色率和 去除率在 为 时分别达到最大值./.和.然后随着 的延长而降低 研究显示过低的 会促使形成高浓度底物导致有机酸在细菌细胞中积聚从而抑制微生物活动并一定程度降低发电量增加 会增加废水与基质和微生物的接触时间从而提高污染物的去除率当 超过一个临界值时系统处理效率随 延长缓慢增加后急剧下降但是长时间的 会加重 的厌氧条件不利于有机物和氮的去除 因此需要适当的 来提高 的污染物处理效率和废水处理能力.微生物及湿地植物.微生物 微生物菌群作为 系统不可缺少的部分对系统去污能力和产电性能有着显著影响 的微生物群落主要分为两大类具有电子转移能力的电化学活性细菌()和仅具有细胞内呼吸功能的非 系统中微生物的性能主要取决于微生物群落的种类及其丰度 等将阴极电极置于进水水体表面并将厌氧消化污泥接种在 反应器中来利用大气中的氧气使微生物在 中快速增殖 系统中形成的微电解和植物产生的根系分泌物促进微生物和湿地植物的生长和活性并增强污染物的去除 实验结果显示填料粒径较小的种植型 对(.)和(.)的去除率最高这与微生物多样性密切相关 此外 等研究发现种植植物的 的内阻仅占未种植的 的 造成这种差异的原因可能是产电流的细菌数量(如.和)能够产生导电的菌毛或纳米线帮助微生物到达更远的电极.湿地植物 植物在 系统中发挥着重要的作用包括将氧气和有机物排泄到根际支持多种微生物并为细菌附着提供表面 植物与细第 期杨菁等:人工湿地微生物燃料电池处理废水的研究进展菌的联合可以促进植物吸收无机氮、磷等物质转化为、等有机成分实现对根际污染物的降解 植物内生细菌具有固氮能力污水中的氨氮被植物吸收合成植物蛋白质和有机氮在具有特殊催化功能的蛋白质固氮酶的催化下发生固氮反应 朱娟平等构建了三组 系统进行对比分别为引入风车草、短叶茳芏两种植物和无植物的对照组结果表明系统中存在植物有助于阳极生物膜各类细菌及古菌的生长与短叶茳芏相比风车草更能增加系统的古菌群落的多样性 等、等将不同挺水植物在 中的去污能力及产电性能作了对比研究得出高生物量的挺水植物对比沉水植物更能提高污水中污染物的去除率及产电能力表 为不同挺水植物在 系统中的、氨氮去除率及产电能力结果显示香蒲的氨氮去除率及最大功率密度明显高于其他植物因此选取香蒲作为 处理高浓度废水时的湿地植物是可行的表 不同挺水植物对、氨氮去除率及产电性能 植物 去除率/氨氮去除率/电压/最大功率密度/()文献来源蒲菜.香蒲.灯心草.苔草.水葱.电极由阳极和阴极组成的电极是 系统组成的重要部分电极材料的选取尤为重要其材料需满足导电性好、加工过程损耗小、机械加工性能良好、不易腐蚀、价格低廉等要求 无论是阳极或阴极材料其材质、形状、位置和面积等要素的配置方式差异都会对 系统的性能产生影响.电极材料碳基材料包括碳纤维毡、碳布和生物炭是 中常用的电极 等展示了 种不同的阳极材料电极周围形成的明显不同的微生物群落分布 结果表明使用泡沫镍()作为阳极电极的 可以明显提高脱氯单胞菌(一种反硝化和聚磷微生物)的相对丰度对反硝化和除磷的作用显著随着纳米技术的发展利用纳米纤维作为高效阳极的研究备受关注 纳米纤维作为在三维尺度上有两维的尺寸处于纳米范围的线(管)状材料与碳基和金属基材料相比具有长径比大、比表面积大、孔隙率高等特点使得纳米纤维材料在过滤材料、生物医学等领域都有着良好的应用前景 系统中微生物易于在纳米纤维表面形成有效的生物膜进而促进了微生物的生存与传递 阳极是接收电子和形成生物膜的重要场所选择合适的阳极材料对 产电与降解污染物性能的提高具有重要意义 常见纳米纤维基阳极电极材料及相关性能的比较见表 表 纳米纤维基阳极电极材料及其相关性能 阳极材料特性制备方法功率密度/()文献来源碳纳米管基阳极()具有纳米级的尺寸耐腐蚀性、高比表面积和电化学稳定性静电纺丝法、热处理、热压 碳纳米纤维基阳极()导电性好、比表面积较高、结晶取向度较高、纤维互联静电纺丝法、化学气相沉积法、模板合成法.导电聚合物基纳米纤维电极具有高电导率和比表面积、优良的电导率和生物相容性静电纺丝法纳米纤维电极输出电压高且稳定、最大功率密度高、去除率较高静电纺丝法、热处理、涂覆 聚苯胺/聚乳酸纳米纤维电极(/)具有更好的热稳定性和较低的疏水性静电纺丝法注:单位为/.电极间距秦歌等探讨 的电路连接方式、阴阳极间距、进水方式等运行条件对污染物去除能力和产电的影响 图 为不同阴阳极间距下 系统中污染物(、)的去除率结果显示当阴阳极间距为 时、和 的去除率达到最高最大功率密度达到./最大功率密度随着阴阳极间距的增大逐渐减小电极间距为 时达到应用化工第 卷最小为./图 不同阴阳极间距下污染物的去除率.温度王晓欧对比了不同温度条件下 系统和 系统的污染物去除效果结果表明在两个系统中 和 的去除率均随温度变化而变化和 的出水浓度和相应的去除率几乎不会随温度变化 系统在较高温度(候平均气温 )和较低温度条件(候平均气温 )下的污染物去除率最大相差值低于 系统(前者相差值分别低于后者.、.和.)由于温度降低会导致 系统中有机物和氮去除率减小 系统减小了此种不利影响对于 在 系统和 系统中的去除率几乎不随温度变化在 以上时 系统的产电量达到高位且保持稳定 人工湿地微生物燃料电池处理废水产电特征 进水有机负荷、水力停留时间、外部电阻、电极材料与种植植物类型等都是影响人工湿地微生物燃料电池处理废水产电特征的因素 以下选取进水有机负荷、水力停留时间和外部电阻 个因素进行讨论.进水有机负荷和水力停留时间李雪等构建的 系统选取芦苇作为湿地植物考察了在不同进水 浓度、水力停留时间以及阴极曝气量等条件下的系统产电特征及净水能力实验结果表明随着进水 的增大系统输出电压先增大后减小在进水 为 /时系统产电量最大为 王华元研究了以葡萄糖为底物的 系统启动过程中污染物的去除及产电性能探讨了不同条件(进水 负荷、水力停留时间、外部电阻)对 系统与 系统产电性能的影响 不同进水 浓度、水力停留时间的 能量输出见图 图 能量输出.不同水力停留时间.不同进水 浓度.外部电阻由于 系统存在闭合电路而外部电阻是 系统产电性能的重要影响因素 王华元讨论了在 系统稳定运行后通过调整外 接 固 定 电 阻 值(分 别 为 )分析系统的产电性能结果显示系统输出电压逐渐增大而输出电流逐渐减小当外部电阻的阻值为 时平均输出电压达到()系统的功率密度先增大后减小当电阻 为 时 输 出 功 率 密 度 最 高 达 到./库伦效率逐渐减小当外接电阻为 时库伦效率达到最大约为.总结与展望人工湿地微生物燃料电池()系统是一种生态友好的可持续技术结合了人工湿地()运行成本低的特点和微生物燃料电池()能量转化率高的优点在污水处理领域有着广阔的发展前景 目前传统的废水处理方法正在被人工湿地微生物燃料电池()技术逐步替代但是还存在着一些尚需解决的问题未来关于人工湿地微生物燃料电池处理废水的研究应注重以下几个方面()相容性决定了微生物与电极之间在电极表面形成生物膜的过程和电子传递机制影响了内阻和获取可再生能源的能量损失第 期杨菁等:人工湿地微生物燃料电池处理废水的研究进展()如何选取合理的电极材料选取机械性能好易于加工且经济高效的电极能够提高系统的整体效率从而推进 系统的规模化应用 此外纳米材料等新型材料作为电极材料对 系统处理效率的影响需进一步探讨()如何强化系统的处理效率及产电能力 系统的产电能力受进水有机负荷、水力停留时间、外部电阻和电极材料等因素影响因此确定合理的水力停留时间与进水有机负荷浓度选取合适的外部电阻等问题仍需进一步研究参考文献:石玉翠罗昕怡唐刚等.人工湿地微生物燃料电池耦合系统的研究进展及展望.环境工程():.陈诗雨许志成杨婧等.微生物燃料电池在废水处理中的研究进展.化工进展():.左泽蛟沈正华邱国兴等.人工湿地微生物燃料电池技术在水处理中的研究进展.黑龙江工业学院学报(综合版)():.陈婧秦歌余仁栋等.人工湿地微生物燃料电池性能优化研究进展.水处理技术():.王博张卓文赵梓吟等.人工湿地微生物燃料电池强化脱氮研究进展.应用化工():.谢静怡卢学强李海笑.人工湿地型微生物燃料电池研究进展述评.安全与环境学报():.夏函青伍永钢江文亭等.人工湿地微生物燃料电池系统的发展及展望.化工进展():.李彦娟王三反.含铬废水的电化学法处理技术及研究进展.应用化工():.赵梦.微生物燃料电池处理含铬废水的研究进展.现代化工():.高雄英吴夏芫宋天顺等.微生物燃料电池化学阴极与生物阴极处理含铬废水.环境工程学报():.牛永艳.微生物燃料电池阴极去除六价铬的机理及应用.兰州:兰州大学:.赵立新孔凡英王宣等.微生物燃料电池处理含铬废水并同步产电.现代化工():.金春姬王朋远于辉等.基于空气阴极的微生物燃料电池处理含铬()废水.中国海洋大学学报(自然科学版)():.金芷欣.微生物燃料电池处理含酚废水研究进展.山东化工():.汪家权夏雪兰丁巍巍.微生物燃料电池处理苯酚废水运行条件研究.环境科学学报():.成少安黄志鹏于利亮等.微生物燃料电池处理高盐废水的研究进展.化工学报():.路通刘菲菲陈士强等.人工湿地耦合微生物燃料电池强化高盐废水中的脱氮机理研究.环境科技():.杨珍珍朱昌雄田云龙等.微生物燃料电池去除废水中抗生素类污染物的研究进展.中国农业气象():.齐亚兵张思敬孟晓荣等.抗生素废水处理技术现状及研究进展 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