微生物电化学脱氯

MECs
MECs是一种施加外电压以实现某种反应过程或者获得某种产物的 BES 系统，并以氢气或者甲烷的形式回收能量。其基本工作原理 是：在生物电解池中，微生物降解有机质获得的电子，电子经细胞 膜转移到了细胞外的阳极，然后在外加电源提供的电势差作用下经 外接电路到达阴极。在阴极室中，从质子交换膜传递来的质子和电 子结合生成氢气。
生物阴极的驯化
生物阴极的驯化实质就是一类特异性微生物定向 附着于阴极表面与之形成复合体的过程。生物阴 极的驯化是先通过静态实验法先对转化含氯有机 物的微生物进行富集，再将富集液转接至装有驯 化成功的生物阳极的 BES 的阴极室进行定向驯 化
Du等将厌氧污泥至于 1000 m L 三角烧瓶中， 加入 2,4-DCP模拟废水和蒸馏水，于恒温培养 箱中厌氧培养（厌氧污泥的驯化装置示意图如 图 所示）。混合液中 2,4-DCP 浓度以 50 mg/L开始，每个浓度的驯化持续 6 天。该浓 度的驯化结束后，洗净污泥中的残留污染物及 微生物代谢产物，然后进行下一浓度的驯化实 验。以 50，100，150 mg/L 为污泥驯化的浓 度梯度，并逐级提高三角烧瓶中 2,4-DCP 的 浓度。每一梯度驯化结束后，测定 2,4-DCP浓 度在驯化污泥中的变化，以及驯化污泥降解中 脱氢酶活性，以检测驯化效果。
微生物燃料电池 （MFCs）
微生物电解池 （MECs）
MCFs
MFCs
单室MFCs 双室MFCs 三室MFCs
MFCs 利用产电微生物将有机物中的化学能直接转化为电能。其基本工作原理是：
在厌氧的阳极室中，有机物在附着于阳极上微生物的作用下降解，生成电子、质 子和小分子产物，电子经生物组分、阳极之间、外电路传递到阴极，再与阴极室 的电子受体（通常为氧气铁氰化钠等氧化剂）结合；质子经质子交换膜传递到阴 极，如此形成闭合回路。
生物阳极的驯化
对阳极的微生物进行驯化使阳极与微生物形成复合体系的初衷在于在不但要 为生物阴极对含氯有机物的还原提供电子的同时，且能够使阳极保证恒电位 的输出，以此减少生物阴极还原过程中的不稳定因素。在电化学体系中,阴 阳两极发生的氧化还原的反应是电化学系统的关键所在。为此阳极性能的好 坏直接关系着 BES 转化废水中的含氯有机物的效果，因此保证阳极的稳定 是十分必要的。
危害
腐蚀性，毒性 将近 95%以上的氯代有机物都有毒，被认为是“致癌、致畸、致突 变”的可疑“三致”效应物质。 美国环保署公布、了 65 类 129 种优先污染物，这些物质其中就包 括一氯酚，二氯酚，三氯酚，五氯酚等十几种氯酚类化合物
氯酚类废水处理技术
氯酚废水处 理技术
物理化学法
生物法 电化学法
纳米零价铁 活性炭吸附法
生物电化学系统是由阳极室和阴极室两部分组成：阳极室主要是产电微生物， 提供电源；阴极室接种、富集阴极微生物，其不仅要能够耐阴阳极间的电势差 ，还要能够耐受和降解含氯有机物。而来自厌氧污泥中的普通微生物对含氯有 机物这一难降解有毒物质没有足够的耐受力和降解能力。
因此，首先，利用不同浓度梯度的含氯有机物废水驯化厌氧污泥，获得能够降 解含氯有机物的微生物混合菌群；然后，将驯化后的污泥上清液接种到阴极室 （阳极已经成功启动），在阴极室中进一步驯化、筛选，以获得有较高电压、 电流耐受力的微生物菌群。
[9] Watanabe M，Harada K，Carmichael W，et al. Toxic microcystis[J]. CRC, 1996.
pH值的影响研究
实际含氯有机物废水的pH值应该是在一定范围内波动变化的，若使用 BES 非生物 阴极处理含 2,4-DCP 废水时，阴极进水 pH 值的变化对整个反应系统不会造成明显 的影响（主要影响质子的传递过程）。但是对于生物阴极来讲，由于pH值对微生物 的新陈代谢和生长繁殖具有很大的影响，主要是微生物代谢过程中产生的各种酶的 酶活受pH影响较大，加之pH的变化会使微生物细胞壁和细胞膜的通透性产生一定的 影响，为此会改变微生物细胞内的渗透压，诸多因素变化致使微生物对含氯有机物 的耐受性发生变化，若pH波动过大可能会使阴极微生物失活，造成生物阴极运行崩 溃。所以研究pH对生物阴极处理含氯有机物废水的影响，在工程应用中是十分必要 的。

电化学法和物理化学法 处理，反应快，抗负荷 冲击能力强，但此法能 耗大，成本高
光催化 好氧法
生物处理法耗能低，
处理效率高，但生物反 应慢，耗时长，抗负荷 冲击能力低。
厌氧法
生物电化学技术将电化 学和生物技术相结合， 在保留其各自的优点的 同时，弱化了不足。
生物电化学系统研究现状
微生物电化学系统 （BES）
微生物电化学系统脱氯研究
汇报人：楚鑫鹏 导师：胡敬平 教授
2015年10月8日
1 研究背景 2 微生物电化学阴极脱氯 3 微生物电化学阳极脱氯 4 结论与展望
氯酚类废水的来源和危害
来源
农药、医药、染料、塑料等行业的工艺过程中
氯酚类化合物(CPs)由于其特殊的结构和性质， 被广泛的用作杀菌剂、消毒剂及防腐剂等
MFCs阴极脱氯的基本机理
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，简称 MFCs）脱氯是在厌氧状态下富集微生物，通过 微生物的催化进而还原含氯有机物物，也就是通 常所说的生物阴极微生物燃料电池。它能够在处 理污水的同时，能将有机物的化学能转化为电能
反应机理上看，脱氯是整个微生物燃料电池系统 共同作用的结果。如图所示： 主要环节包括质子和电子的产生、传递和消耗3 个阶段。厌氧条件下, 阳极室内微生物氧化乙酸 钠产生质子和电子(式(1)), 电子从细胞内传到阳 极后经由外电路到阴极, 质子则通过质子交换膜 到阴极室, 最后吸附在阴极上的 含氯有机物接受 质子和电子被还原(式(2))
污泥驯化装置示意图 驯化污泥对含氯有机物的降解
Liang在对生物阴极驯化之后，向成功启动并稳 定运行的 MFC 反应器的生物阴极中投加 200mg/L的2,4-DCP 后，检测反应器对 2,4DCP 的转化效果，测得结果如图 所示。 MFC 对 2,4-DCP 的转化效果 由图中可以看出 ，在第 96h 的时候，MFC 对 2,4-DCP 的转化 率已经达到了93.7%。 与传统厌氧法对 2,4-DCP 的降解进行了对比， 转化时间缩短了 48h，生物电化学系统的引入 ，使得 2,4-DCP 的转化时间明显缩短，即达到 了较高的转化率。