废水同步生物处理与微生物电解池产氢的研究进展
基于微生物共代谢作用去除废水中难降解物质的研究进展
基于微生物共代谢作用去除废水中难降解物质的研究进展【摘要】共代谢是微生物特殊的代谢类型，可对废水中难降解有机物进行高效去除，并具有技术经济优势。
本文探讨了共代谢的生化机制和特点、共代谢作用的影响因素，同时综述了共代谢作用在国内处理难降解性污染物工艺技术的应用及研究状况，其中，序批式生物膜反应器在处理难降解性污染物方面具有光明的应用前景。
【关键词】共代谢；难降解污染物；关键酶；SBMR共代谢作用是环境污染物降解的一种重要方式。
据报道，环境中能够完全矿化污染物的降解菌占总降解菌的数量还不到10%，大多数微生物是通过共代谢作用来降解污染物的。
随着工农业的迅速发展，越来越多的有机物被合成，其中难降解有机物占了很大比例，因此难降解有机物的治理研究已引起国内外有关专家的高度重视，是目前水污染防治研究的热点与难点。
1.共代谢作用的机理和特点共代谢现象最早由Leadbetter 和Foster 等[2]于1959 年报道，他们研究发现Pseudomonas methanica（甲烷假单胞菌）能够在外加甲烷情况下氧化乙烷、丙烷、丁烷，而乙烷、丙烷及丁烷三者均不能作为Pseudomonas methanica的唯一碳源支持其生长。
对此现象Leadbetter 和Foster以共氧化（Co-oxidation）来描述，将其定义为在生长基质存在的情况下，微生物对非生长基质的氧化，其中甲烷为生长基质，乙烷、丙烷等为非生长基质。
后来，Jensen扩展了其内涵，提出共代谢（Co-metabolism）的概念。
他认为在生长基质存在的情况下，微生物对非生长基质的转化无论是氧化作用还是还原作用都是共代谢作用；当生长基质被完全消耗时，处于内源呼吸状态的休眠细胞对非生长基质的转化也是共代谢作用。
现在，一般将其定义为只有在初级能源物质存在时才能进行的有机化合物的生物降解过程。
初级能源物质或是由外界提供，或是微生物细胞内储存的。
微生物对有机化合物的转化并不能为细胞提供碳源及能量，所需碳源及能量来源于对初级基质的代谢。
MDC和MEC及其耦合系统在水处理应用的研究进展
MDC和MEC及其耦合系统在水处理应用的研究进展MDC和MEC及其耦合系统在水处理应用的研究进展水是人类生产和生活不可或缺的重要资源，而如今水资源的日益枯竭和水污染的问题日益严重已经成为全球面临的严峻挑战。
对此，科学家们通过不懈的努力和研究，提出了许多高效的水处理技术，其中包括MDC（微生物燃料电池）和MEC（微生物电解池），这两种技术通过耦合系统进一步提升了水处理效果。
MDC是一种基于微生物氧化有机物产电的过程，通过启用微生物将有机物氧化成CO2释放出电子来降解废水。
MDC技术的主要过程可以分为两个阶段：废水进入阳极室，然后通过微生物的呼吸作用发生氧化还原反应产生电子，这些电子通过外部连接的电阻产生电流；而在阴极室，电子和氧气结合形成水。
这种技术不仅可以高效地降解有机物，还能产生电能，实现能源的回收和再利用。
通过电池反应机制，MDC技术在水处理领域展现出了巨大的潜力。
与此同时，MEC技术也被广泛应用于废水处理。
它是一种通过微生物催化作用将废水中的有机物转化为氢气、乙酸和电子的过程。
MEC技术的主要过程是通过外部电压的作用使得催化材料上的微生物进行氧化反应，将有机物氧化成乙酸和电子，而电子则经过外部连接的电阻产生电流。
MEC技术的独特之处在于其产生的乙酸可以被进一步转化为甲烷气体，从而实现能源的回收和利用。
因此，MEC技术在废水处理和能源回收方面具有广阔的应用前景。
为了更好地提高水处理效果和能源回收利用率，研究人员开始尝试将MDC和MEC技术进行耦合。
MDC和MEC的耦合系统可以充分利用两种技术的优势，实现有机物的高效降解和能源的回收利用。
MDC和MEC耦合系统的主要设计是将MDC的阴极室与MEC中的阳极室相连，从而实现电子的传递和能量的转化。
这种耦合系统可以提高水处理的效率，同时增加能源的回收。
研究表明，MDC和MEC耦合系统在水处理应用中具有显著的优势。
首先，通过耦合系统，可以提高有机物的降解效率。
微生物电解池技术在废水处理中的应用
微生物电解池技术在废水处理中的应用废水污染已经成为当今社会面临的一个严峻的环境问题，因为它直接影响到人们的健康和环境质量。
微生物电解池技术，是一种新型的废水处理技术，可以在不使用化学药剂的情况下，利用电化学原理和微生物作用来降解污染物。
本文将介绍微生物电解池技术的基本原理和应用，以及其在废水处理中的优势和前景。
1. 基本原理微生物电解池是一种将化学能转化为电能或电能转化为化学能的装置。
它包括一个阳极和一个阴极，以及介于两者之间的微生物生物质层。
在废水处理过程中，微生物在阴极上通过还原反应产生电子，并在阳极上通过氧化反应产生电子。
这些电子然后通过外部电路进行传输，以便产生电流。
在此过程中，微生物对有机物进行分解解析，产生二氧化碳和水。
同时，电解池中的电活性物质不断地再生并促进微生物的生长，使其逐渐适应复杂的废水处理环境，并获得更高的生产力。
2. 应用技术微生物电解池技术被广泛应用于废水处理和生物质转化等领域。
在废水处理过程中，它可以对含有有机物、酸性化污水、废液和废气等废水进行处理。
它可以有效地去除废水中的化学氧耗（COD）、氨氮、汞和铅等重金属物质。
此外，微生物电解池技术还可以将废水中的氢气和甲烷转化为电能，并同时获取废水处理的效益和经济效益。
这种技术也被广泛应用于工业废水处理和城市垃圾的处理和消化。
随着现代科学技术的急剧发展，微生物电解池技术将会在环保领域得到广泛的应用。
3. 应用优势与传统的废水处理技术相比，微生物电解池技术具有以下优势：（1）不产生二次污染：微生物电解池技术不需要使用化学药剂和细菌，所以不会产生其他的化学污染物。
（2）耗能低：微生物电解池技术可以获得电能，并不需要另外的能源输入。
（3）处理效率高：微生物电解池技术可以去除废水中的污染物，并且具有高效率和高稳定性。
这种技术还可以在较短的时间内反应，并且可以适应较宽的废水处理范围。
（4）环境友好：微生物电解池技术不会使废水变成更加有害和危险的物质。
污水处理中的微生物电解技术
好氧微生物电解技术
在好氧条件下，利用好氧微生物将有机物转化为电能和氢气 。
微生物电解技术的应用领域
污水处理
01
利用微生物电解技术处理有机废水，实现废水的资源化利用和
能源回收。
有机废弃物处理
02
利用微生物电解技术处理有机废弃物，如农业废弃物、城市垃
圾等，实现废弃物的资源化利用和能源回收。
生物能源生产
详细描述
通过微生物电解技术对城市污水进行深度处理，可以进一步降低污染物含量，使出水水 质达到排放标准或回用标准，减少对自然水体的污染，同时也有助于实现城市水资源的
可持续利用。
05
微生物电解技术在污水处理中的 研究进展
新材料与新技术的应用研究
新型电极材料
研究具有高电化学活性和稳定性 的新型电极材料，以提高微生物 电解反应的效率和产物的品质。
反应器材料的选择
选择耐腐蚀、导电性能良好的材料作为电极和反应器材料。
微生物电解反应器的运行与维护
运行条件控制
控制适当的温度、pH值、溶解氧等运行条件，以 维持微生物的正常代谢活动。
微生物膜的管理
定期清洗或更换生物膜，保持电极表面的清洁和 活性。
产物分离与处理
对电解反应产生的气体或沉淀物进行分离和处理 ，以避免对环境造成二次污染。
对于某些难降解的有机物和重金属离子，微 生物电解技术的处理效果可能不佳。
微生物电解技术的发展方向
优化微生物电解装置
通过改进装置的设计，提高处理效率 ，降低能耗。
研究微生物电化学机制
深入了解微生物的电化学性质，为技 术的改进提供理论支持。
拓展应用领域
将微生物电解技术应用于更多类型的 污水，拓展其应用范围。
电解水制氢技术的研究及优化
电解水制氢技术的研究及优化随着环境污染的日益严重和能源紧缺问题的加剧，清洁能源技术在全球范围内被广泛研究和应用。
氢能作为一种清洁且高效的能源形式，受到了越来越多的关注。
而电解水制氢技术则是实现氢能利用的关键。
本篇文章将对电解水制氢技术的研究及其优化进行探讨。
一、电解水制氢技术的原理电解水制氢技术是利用电能将水分子分解为氢气和氧气的过程。
在电解水中，水分子被施加电压，电荷被物理地转移到电极表面，将水分子分解为氢离子和氧离子。
在阴极上，水分子接受了电子，形成氢气，而在阳极上，氧离子接受了电子，形成氧气。
整个反应方程式可以表示为：2H2O → 2H2 + O2。
二、电解水制氢技术的应用及研究进展电解水制氢技术在许多领域中都有广泛的应用前景，例如能源、燃料电池、化工等。
研究人员们致力于寻找更加高效和可持续的电解水制氢技术。
现在主要的研究方法包括物理、化学和生物等多个方向。
（一）物理方法物理方法的主要思想是利用自然能量来驱动电解水反应。
例如，太阳能电解水是利用太阳能光电转换成为电能来驱动电解反应，纳米光电催化剂电解水技术能够将可见光和紫外线光转换成为电能来进行电解。
（二）化学方法化学方法采用催化剂介导电解水的反应，以实现更高效的反应，其中贵金属催化是目前最为普遍的方法。
例如，铂作为催化剂，在电解水过程中可以显著提高电解效率，但是高成本成为催化剂应用的限制因素。
（三）生物方法生物方法是通过利用微生物、植物等生物体的代谢反应来实现氢的产生。
例如，利用植物光合作用产生的化学能来进行电解作为一种生物方式，其优点在于生产氢气的同时，还能够产生有机化合物和氧气等副产品。
三、电解水制氢技术的优化策略电解水制氢技术虽然可以通过不同机制实现氢气的产生，但是其效率等问题仍然需要进一步探究。
为了优化电解水制氢技术，研究人员们提出了各种策略。
（一）改善催化剂性能催化剂性能的改善可以使电解水的反应更加高效。
例如，通过制备催化剂、改变催化剂的结构和方法等，来改善催化剂的活性和稳定性，提高氢气的产率。
微生物电解池制氢
微生物电解池制氢微生物电解池制氢的原理是利用微生物在电解质介质中的电化学活性，将底物分解产生的电子转移到阳极上，通过阳极的还原反应产生氢气。
这种制氢方式不仅节约了能源，还解决了废水处理和能源开发的难题，因此备受人们关注和研究。
微生物电解池制氢技术的发展历程微生物电解池制氢技术源于传统的电解制氢技术，传统的电解制氢是通过外加电压将水分解产生氢气和氧气。
然而，传统电解制氢的能源损耗较大，不够环保，而且成本高，限制了其在大规模应用方面的发展。
为了克服这些问题，研究者们开始将微生物的生物电化学活性引入到电解制氢中，逐步发展出了微生物电解池制氢技术。
1990年代初，美国科学家发现了一种能够在电解质介质中产生氢气的特殊微生物，这一发现引起了科学界的广泛关注。
随后，研究者们开始利用这种微生物的生物电化学活性，通过电解方式制氢的研究。
经过多年的努力，他们终于成功地搭建了微生物电解池制氢实验装置，并取得了令人瞩目的成果。
在此基础上，越来越多的研究者开始关注微生物电解池制氢技术，探索其在废水处理和能源生产方面的应用潜力。
逐渐地，微生物电解池制氢技术成为了研究领域的热点之一。
随着科技的不断进步，微生物电解池制氢技术也在不断得到完善，取得了越来越令人满意的成果。
微生物电解池制氢的原理和过程微生物电解池制氢是一种复杂的生物电化学过程，其原理和过程涉及到微生物代谢途径、电解化学反应、底物降解等多个方面。
下面，我们将从微生物代谢途径和电解化学反应两个方面来详细介绍微生物电解池制氢的原理和过程。
微生物代谢途径微生物对底物的代谢途径是微生物电解池制氢过程的关键环节。
通常情况下，微生物可以利用底物进行好氧代谢和厌氧代谢，产生不同的有机代谢产物。
其中，厌氧代谢过程产生的有机代谢产物被认为是微生物电解池制氢的主要底物源。
在微生物电解池中，一般采用产氢菌作为微生物菌种。
这类微生物具有良好的厌氧代谢能力，可以利用底物通过厌氧呼吸途径产生氢气。
微生物燃料电池技术的研究进展
微生物燃料电池技术的研究进展近年来，随着环境污染日益加重，新能源技术正逐渐成为一种热门话题，微生物燃料电池技术就是其中之一。
微生物燃料电池技术是将生物体内的微生物进行利用，将其通过化学反应转化为电能供应器械使用，从而达到绿色环保的效果。
本文将从微生物燃料电池技术的原理、分类、应用以及未来发展方向四个方面来展开讨论。
一、微生物燃料电池技术的原理微生物燃料电池技术利用了微生物代谢的特性。
微生物在代谢过程中会产生电子，一般情况下，电子会释放到自由基、分子中去而形成较为稳定物质。
而微生物燃料电池技术便是通过掌握微生物代谢过程，将电子提取出来，并将其动员起来进行反应，从而产生电力。
具体而言，微生物燃料电池技术是利用微生物菌种代谢的产物如电子、氢离子、酸碱度等，与电极发生反应。
通过微生物与电极之间的媒介物质，在电极表面上形成微生物薄膜，将微生物的产物输入到电极中，从而形成电流，达到发电的效果。
二、微生物燃料电池技术的分类微生物燃料电池技术按照其所涉及的电极，可分为两类：阳极和阴极微生物燃料电池。
阳极微生物燃料电池，是指利用微生物对有机物进行氧化反应，并通过自由电子将反应生成的电子输送至阳极表面。
此类微生物燃料电池的主体为桶状结构，包括有机物质源、阳极、媒介和微生物等组件。
这种类型的微生物燃料电池技术多用于废水处理工程中。
阴极微生物燃料电池，是指利用微生物还原没有质子的化合物，将产生的电子由阴极输送到外部电路，以使电池发出电流。
与阳极微生物燃料电池不同，阴极微生物燃料电池是一种氧还原反应（ORR）技术。
酸碱性阴离子交换膜（AEM）被用作阴极颜料分解电解池的膜，以便于质子渗透到阳极以维持电荷平衡，而电子则流经外部电路。
这种类型的微生物燃料电池技术多用于废气处理工程中。
三、微生物燃料电池技术的应用微生物燃料电池技术在实际工业应用中具有广泛的应用前景。
1. 废水处理：微生物燃料电池技术具有优秀的废水处理效果。
利用微生物燃料电池技术处理废水可以在一定程度上降低传统废水处理的运行成本，改善处理效果。
微生物电解池原理及其在废水处理中的研究进展
微生物电解池原理及其在废水处理中的研究进展高凯拓;华立锋;陶丽杰;顾国平;朱铭;顾亚萍;徐向阳【摘要】微生物电解池是一种利用电极表面的氧化还原反应,通过电极与微生物间电子强化微生物代谢的技术.这项创新技术逐渐被国内外研究者们所关注,并被用于废水处理及高效产氢方向.本论文主要论述了微生物电解池电极微生物及电子传递机理以及其在废水处理领域的研究进展,并展望了其在该领域的发展方向.【期刊名称】《能源环境保护》【年(卷),期】2016(030)004【总页数】4页(P1-4)【关键词】微生物电解池;原理;废水处理;研究进展【作者】高凯拓;华立锋;陶丽杰;顾国平;朱铭;顾亚萍;徐向阳【作者单位】中国联合工程公司,浙江杭州310052;浙江大学,浙江杭州310058;中国联合工程公司,浙江杭州310052;中国联合工程公司,浙江杭州310052;浙江菲达环保科技股份有限公司,浙江绍兴311800;中国联合工程公司,浙江杭州310052;中国联合工程公司,浙江杭州310052;浙江大学,浙江杭州310058【正文语种】中文【中图分类】X703生物电化学系统（Bioelectrochemical system，BES）最早起源于Potter （1911）发现大肠杆菌代谢产生电流，但在此后的一个多世纪里因产电效能低而不被人们所关注。
近几十年来，能源短缺问题日益加剧，环境污染问题凸显，在这样的背景下生物电化学系统在研究领域重获生机，相关报道的研究文献数量呈爆发型增长。
根据外电路是否外加直流电源，一般可将生物电化学系统分为微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）和微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell，MEC），。
此外在工业生产领域，微生物脱盐池（Microbial De-salination Cell，MDS）以及微生物电合成（Microbial Electrosynthesis，MES）也逐渐被研究者关注。
微生物电解池在废水处理中的应用
微生物电解池在废水处理中的应用近年来，随着工业化和城市化进程加快，环境问题日益突出，尤其是废水处理问题引起广泛关注。
为了解决这一问题，科学家们提出了微生物电解池技术，该技术可以有效地将有机污染物转化为可利用的电能或气体，并减少有害气体的排放。
本文将介绍微生物电解池技术在废水处理中的应用及其原理。
一、微生物电解池技术的原理微生物电解池是一种将有机废物通过微生物作用转化为电能或者气体的技术。
根据其原理分为两类：有阴极和阳极，导电性好的电极将废水中的有机物转移为电子；微生物将电子从电极上接下来然后进行氧化还原反应，将有机物转化为无机物，并产生电子或氢气。
因此，微生物电解池技术主要分为两个部分：电化学部分和生物部分。
电化学部分是指设立两个电极，外加电压以将废水中的有机物转移到电极上；生物部分是指将电子和底物转移到微生物生长所需要的正反应环境中，最终得到微生物生长的氢气和氧气，或者生成的电，用于外部电器设备。
二、微生物电解池技术在废水处理中的应用1. 转化有机废水为电能微生物电解池技术可以将废水中的有机物质直接转换为电能，从而可以实现清洁能源的可持续利用。
同时，这种技术也可以起到治理有机废水的作用，减少有害物质对环境的污染。
2. 产生高品质沼气微生物电解池技术可以有效地生产高品质的沼气，该沼气的甲烷含量较高，同时也能够减少毒性废水的排放。
3. 回收废水中的化学品微生物电解池技术可以将有机物分解成更小的有机分子，从而更方便进行后续的废水处理，例如将有机物中的酸进行固化，从而回收废水中的化学品。
4. 加速废水降解微生物电解池技术可以增加废水降解微生物在其表面的附着微生物，提高污泥处理的效率，加速废水的降解。
5. 产生生物硫氢微生物电解池技术可以提高废水中微生物的抗氧化能力，从而产生一定量的生物硫氢，在环境中起到治理水体污染的作用。
三、微生物电解池技术的应用前景随着环境问题的日益严重，微生物电解池技术的应用前景越来越广泛。
光发酵及微生物电解池制氢研究进展
光发酵及微生物电解池制氢研究进展崔寒;邢德峰【摘要】H2作为21世纪的新能源已经越来越受到人们的重视,是未来能源革命的主要替代化石燃料的主力军.本文主要探讨总结了光发酵和微生物电解池这两种生物制产氢方式在近5年的最新研究进展,并对于未来的研究方向给予展望.【期刊名称】《化学工程师》【年(卷),期】2016(030)011【总页数】4页(P49-51,56)【关键词】生物制氢;光发酵细菌;微生物电解【作者】崔寒;邢德峰【作者单位】哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090;哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090;哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090;哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090【正文语种】中文【中图分类】TQ91微生物电化学系统是近10年新发展起来的一套高效能量产出系统以及一种废物资源化技术，可以以较少的能量投入之下，将有机废物降解并且生成清洁的能源如H2、甲烷等，这些清洁能源在全球能源结构优化与改革的浪潮下会逐步的替代现有的以化石燃料为主体的现有模式，并将为人类的继续发展起到不可磨灭的作用。
作为一种新型的生物质能源技术，微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell，MEC）的建立和发展离不开微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）。
MEC技术的兴起，是源于科学家们逐渐意识到单纯的MFC无法为能源结构革命带来深刻的影响，所以，能够在很少电能投入的情况下产生出热值较高的H2和甲烷，所以此项技术在最初被人们称之为“电化学产氢”或“微生物燃料电池耦连产氢”。
通常电解水产氢的电压为2.1V左右，但是通过这这种方式产氢的电压只需要0.3～0.9V[1]。
光合细菌（Photosynthetic Bacteria,简称PSB）是地球上出现最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成体系的原核生物，是在厌氧条件下进行不放氧光合作用的细菌的总称，是一类没有形成芽孢能力的革兰氏阴性菌，是一类以光作为能源、能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供氢体兼碳源进行光合作用的微生物[2]。
生物电化学技术在能源与环境中的应用
生物电化学技术在能源与环境中的应用生物电化学技术是近年来兴起的一种新兴领域，为能源和环境问题的解决提供了一种可行的解决途径。
生物电化学技术涉及的范围十分广泛，从废水和废气的处理到生物燃料电池的应用，都有很大的发展空间。
本文主要介绍生物电化学技术在能源与环境中的应用以及当前的研究进展。
一、生物电化学技术在环境中的应用现代工业生产中所排放的废水和废气对环境造成了很大的负担，因此需要对这些废水和废气进行有效的处理才能保证环境质量的稳定。
传统的处理方法一般是使用化学药剂和物理方法，但这些方法不仅成本高、效果不稳定，而且还会带来二次污染的危险。
生物电化学技术则提供了一种廉价、高效的废水和废气处理方式。
同时，也能够让我们更好地理解自然界中的微生物过程。
例如，矿泉水中含有的一些微生物可以被用来净化含有明显浓度的有机废物和氮物质的废水。
这些微生物在微生物电解池中被利用，它们可以将废水中的有机物转化为电解子，在电解池中反应，并最终变成二氧化碳。
这样的话，我们可以通过微生物电解池的利用来进行有效的废水和废气处理。
二、生物电化学技术在能源中的应用生物电化学技术不仅可以在环境处理方面发挥作用，它还有潜力可以在能源方面进行应用。
其中比较有代表性的应用是生物燃料电池。
生物燃料电池是指利用生物介质（如：微生物）将化学能转化为电能的电池。
在生物燃料电池中，生物物质中储存的化学能被微生物利用并被转化为电子。
这些电子可以沿着电流线路来进行运输，从而生成电力。
生物燃料电池的优点是使用简单、运转成本低、环境影响小、对多种废弃物质可进行处理等。
这种技术可以应用到远程、极端或不适合其他电池的场合，例如在电子设备、无线传感器、远程水源、水处理和污水处理等方面。
三、生物电化学技术的研究进展当前，生物电化学技术的研究进展主要是在两个方向上进行的：一是在微生物电化学上，另一个方向是研究化学电池在微生物电化学中的应用。
在微生物电化学方面，研究人员主要关注微生物对废水和废气进行处理的能力并尝试通过工程实践进行应用。
聚苯胺-多壁碳纳米管修饰生物阴极微生物电解池产氢性能
聚苯胺-多壁碳纳米管修饰生物阴极微生物电解池产氢性能徐源;陈柳柳;范梦婕;陈英文;祝社民;沈树宝【摘要】采用原位化学氧化聚合法合成了聚苯胺-多壁碳纳米管复合材料,成功构建了修饰生物阴极型微生物电解池,通过聚苯胺-多壁碳纳米管复合材料的耦合作用,提高体系产氢性能,并通过对外加电压、电极间距、电解质浓度等外部操作参数的优化,进一步提高体系性能.实验结果表明,修饰生物阴极实现同步处理废水产氢,表现出优于未修饰生物阴极(MEC)的性能.在外加电压0.9V、电极间距3 em、电解质浓度100 mmol/L操作条件下,体系性能最佳.此时聚苯胺-碳纳米管修饰生物阴极微生物电解池H2产率可达0.83 m3/(m3·d),COD去除率为89.3％,阴极H2回收率为51％.【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(038)003【总页数】6页(P25-30)【关键词】聚苯胺;多壁碳纳米管;修饰;生物阴极;微生物电解池;产氢【作者】徐源;陈柳柳;范梦婕;陈英文;祝社民;沈树宝【作者单位】南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009;南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京210009【正文语种】中文【中图分类】TK91微生物电解池(MEC)是在微生物燃料电池(MFC)基础上发展起来的一种利用微生物降解废水中有机物并同时产氢的生物电化学技术[1-3]。
MEC中阳极微生物降解底物产生H质子和电子并传递到阴极,在阴极催化作用下H质子接受电子生成H2[4-5]。
2007和2010年，Rozendal等[6]、Jeremiasse等[7]研究发现MEC中生物阴极可以发生生物催化析氢反应,并因自身具有更新能力强、运行条件温和、运行时间长等特点而引起国内外研究者的关注。
废水生物处理技术及其研究进展
好氧生物处理技术是一种常用的水产养殖废水生物处理技术，其主要原理是 通过好氧微生物的氧化作用将废水中的有机物分解为无机物。该技术的特点是在 处理过程中需要不断供氧，常用的曝气池、生物滤池等均为好氧生物处理设施。 好氧生物处理技术的适用范围较广，特别适用于处理含有较高有机物浓度的废水。 然而，该技术也存在一定的局限性，如需要大量能耗、对氨氮等营养物的处理效 果不佳等。
厌氧生物处理技术是一种在无氧条件下利用厌氧微生物将废水中的有机物转 化为无机物的方法。该技术的特点是在处理过程中不需要额外供氧，同时可产生 甲烷等可回收能源。常用的设施包括厌氧反应器、污泥床等。厌氧生物处理技术 的适用范围较窄，主要适用于处理低有机物浓度的废水。然而，该技术的局限性 在于对氧气含量和水质变化较为敏感，同时需要解决废水中氨氮等营养物的处理 问题。
参考内容二
随着水产养殖业的快速发展，水产养殖废水处理成为一个亟待解决的问题。 生物处理技术作为水产养殖废水处理的重要手段之一，近年来越来越受到。本次 演示将对水产养殖废水生物处理技术的研究现状、技术细节、研究成果和未来发 展趋势进行综述。
关键词：水产养殖、废水处理、 生物处理技术、研究进展
近年来，水产养殖业的发展取得了显著成就，但随之而来的废水处理问题也 日益凸显。生物处理技术作为水产养殖废水处理的主要手段之一，具有节能、环 保、可持续等优点，在近年来得到了广泛的研究和应用。
1、深入探讨废水生物处理过程中微生物群落结构、功能和降解机制，为优 化微生物生长环境和反应器设计提供理论依据；
2、研究新型废水生物处理技术的机理和性能，解决传统处理技术中存在的 问题，提高处理效率；
3、研究废水生物处理过程中剩余污泥的减量化、资源化技术，降低对环境 的负面影响；
微生物燃料电池在废水处理中的研究进展
微生物燃料电池在废水处理中的研究进展
陈诗雨;许志成;杨婧;徐浩;延卫
【期刊名称】《化工进展》
【年(卷),期】2022(41)2
【摘要】随着全球工业化进程加快,水污染和能源短缺问题日益严重。
微生物燃料电池(MFC)作为一种新型微生物电化学工艺,可以在降解有机物的同时产电,具有清洁、节能、经济等优势,引起人们的广泛关注,成为水处理领域的研究前沿。
本文首先介绍了MFC原理和电子传递机制,分析影响其处理性能的关键因素(阳极材料、阴极材料、接种微生物、反应器构型和系统运行参数);然后回顾了近年来MFC在废水(生活废水、农业废水和工业废水)处理领域的应用,并拓展性地阐述了MFC与其他技术(电芬顿、光催化、人工湿地系统和微生物电解池)的耦合应用;最后指出MFC存在的问题,并提出未来可行的发展方向,包括深度挖掘机理、优化接种微生物种群、改进装置材料与构型、改善进水模式与运行参数和研究新的耦合系统等。
【总页数】13页(P951-963)
【作者】陈诗雨;许志成;杨婧;徐浩;延卫
【作者单位】西安交通大学环境科学与工程系;浙江西安交通大学研究院;中国环境监测总站
【正文语种】中文
【中图分类】X703.1
【相关文献】
1.微生物燃料电池耦合型废水处理反应器研究进展
2.微生物燃料电池在重金属离子废水处理中的研究进展
3.同步废水处理及产电的微生物燃料电池研究进展
4.微生物燃料电池在废水处理中的应用研究进展
5.微生物燃料电池电能产生及污废水处理的研究进展
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微生物燃料电池技术及其在废水处理上的应用
科技研究农家参谋-207-NONG JIA CAN MOU微生物燃料电池技术及其在废水处理上的应用陈偲 袁程鹏（中国农业大学，北京，100193）微生物燃料电池技术(MFC)作为一种新型能源利用技术，因其环保、经济、可再生等性质发展迅速。
文章介绍了MFC 技术的基本原理、构造和特点，概述了MFC 技术在废水处理上的最新应用，并分析了该技术的发展限制因素，并在此基础上展望了该技术的前景。
1 MFC 的基本构造及基本原理MFC 以微生物作生物催化剂，利用有机物在常温常压下进行能量转换。
微生物燃料电池的主要构造分为阳极室和阴极室，质子交换膜将两室隔开。
阳极室常用的材料为不同构型的碳基材料，如石墨片、石墨颗粒等，该材料导电性高，经济易得，具有生物相容性，但内阻较大导致产电率低[2]。
阴极室的材料一般包括生物阴极、电解液阴极，对于单室微生物燃料电池，常是省略阴极，直接以空气作为气相反应室，以氧气为其中的氧化剂，但是氧气反应速率慢，需要额外添加催化剂如铂。
质子交换膜属于阳离子交换膜的一种，其作用在于分隔阴极室和阳极室并且实现质子的迁移。
MFC 的离子交换膜有很多种，如双极膜、超滤膜，以及新型的膜分割材料如磺化聚醚醚酮膜，聚偏二氟乙烯膜，黏土多孔膜等[4]。
但是质子交换膜的导电性高，阻抗低，应用更为广泛。
在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子。
电子在细胞内转移到细胞膜，由细胞膜转移到阳极表面后，再通过外电路传递到阴极形成电流。
质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂（一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
MFC 通常作为封闭系统设备运行，其中阳极室保持在厌氧条件下。
这是为了促进具有电子转移能力的专性厌氧细菌的生长，如地杆菌。
到目前为止，已确定具有参与电子传递能力的细菌燃料来源包括废水、海洋底泥、淡水底泥、土壤和活性污泥等。
MFC 运行的效率取决于基质降解的速率，其理论上的电动势依赖于吉布斯自由能的总体反应，由特定阳极基体与阴极氧化剂的标准还原电位之差计算得出。
微生物电化学法处理氨氮废水研究进展
微生物电化学法处理氨氮废水研究进展微生物电化学法处理氨氮废水研究进展随着工业化和城市化的迅速发展，氨氮废水排放量大幅增加，对环境造成了严重的污染问题。
氨氮是一种常见的有机氮化合物，主要来源于农业废水、化工废水和家庭生活污水等。
氨氮的高浓度废水会导致水体富营养化，严重影响水质和水生态系统的平衡。
因此，寻找高效、经济的废水处理技术成为了当前研究的热点之一。
微生物电化学法是一种结合了微生物学和电化学的新兴废水处理技术，被广泛应用于氨氮废水处理领域。
它利用微生物的电化学活性，通过微生物与电极表面之间的直接或间接电子转移，实现了氨氮的高效降解和去除。
微生物电化学技术的处理流程包括阳极和阴极两个电极系统。
阳极中的微生物通过氧化底物产生电子并将其传递给阳极，同时释放氢离子。
通过阴极中的电子供应，氢离子被还原为氢气或以还原态形式存在。
微生物电化学方法还包括微生物燃料电池（MFC）和微生物电解池（MEC）等不同的系统。
氨氮废水通过微生物电化学法处理的优势之一是在低温下可以有效降解。
相比传统降解技术，微生物电化学法不受温度限制，适用于大部分氨氮废水的处理。
此外，微生物电化学法的反应过程是相对温和的，避免了高温环境下可能产生的挥发性有机物等问题。
在微生物电化学法处理氨氮废水的研究中，研究者们还应用了不同类型的电极材料和微生物种类。
阳极常使用碳材料，如石墨、碳纳米管和氧化石墨烯等。
这些材料具有良好的电导性和催化活性，能够提高电子传递效率和氨氮废水的去除率。
阴极可以使用不同的电极材料，如铜、铁、银和铳等。
同时，选择适应性强的微生物菌株也对提高废水处理效果起到了重要作用。
在微生物电化学反应过程中，一些特定的电子中介物质也能够增强微生物与电极之间的电子转移效果，进一步提高氨氮废水的降解效率。
此外，微生物电化学法在处理氨氮废水中还存在一些挑战。
首先，阳极和阴极之间的电子传输过程常常受到阻碍，需要更进一步的研究来提高传输效率。
其次，当前微生物电化学技术的产氢效率还有待提高。
微生物燃料电池在废水处理中的研究进展
微生物燃料电池在废水处理中的研究进展微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，缩写为MFCs）是一种新型的环境友好型能源转换技术，其利用微生物的代谢活性将有机废水中的化学能转化为电能。
这一技术在废水处理领域具有广阔的应用前景。
本文将对微生物燃料电池在废水处理中的研究进展进行探讨。
首先，微生物燃料电池的基本原理是利用微生物的代谢过程将有机废水中的有机物质氧化成二氧化碳和电子，而这些电子将通过电极传递，从而产生电流。
这种原理既能有效地处理废水中的有机物，又能同时生产可再生的电能，具有可持续发展的特点。
近年来，研究者们对微生物燃料电池的性能进行了不断地改进和优化。
首先是选择合适的微生物。
目前，常用的微生物包括放线菌、蓝藻、硫酸盐还原菌等。
这些微生物能够在低氧或者无氧环境下生存，并对有机废水进行有效的氧化反应。
此外，还可以通过改变电极材料的表面特性来吸附和固定微生物，从而提高微生物燃料电池的性能。
其次，微生物燃料电池的电极结构也是影响性能的关键因素之一。
传统的微生物燃料电池采用的是两个电极配置，即阳极和阴极。
阳极是微生物的生长基质，而阴极则是接受电子的地方。
两个电极之间通过离子选择性的隔膜相隔，防止阳离子和阴离子之间的直接传输。
然而，这种结构限制了微生物燃料电池的进一步发展。
近年来，研究者们提出了新型的电极结构，如三维纳米颗粒结构、多孔材料等，提高了微生物燃料电池的效率和稳定性。
此外，微生物燃料电池中的微生物群落结构对其性能也有重要影响。
微生物群落在微生物燃料电池中发挥着关键的作用，它们参与有机物质的降解和电子传递过程。
研究表明，通过调节电解质浓度、氧气输送、温度等因素，可以控制微生物群落的结构和组成，从而优化微生物燃料电池的性能。
最后，微生物燃料电池在实际应用中也取得了一定的进展。
目前，已经有一些微生物燃料电池成功应用于废水处理中。
例如，某些工业废水经过微生物燃料电池处理后，不仅能够达到符合环保要求的排放标准，还能够同时产生电能，实现废物的资源化利用。
氢气在水处理过程中的资源循环研究
氢气在水处理过程中的资源循环研究水是地球上最重要的资源之一，人类的生活离不开水。
而随着工业化的发展和人口的增长，水资源的短缺已成为全球性问题。
为了有效利用水资源，人们不断探索各种水处理技术，其中备受关注。
氢气是一种清洁高效的能源，具有很高的能量密度和燃烧后只产生水蒸气的特点，因此被认为是未来替代化石能源的重要选择之一。
在水处理过程中，氢气可以通过电解水、光解水等方式产生，被用于生产氢气燃料电池等领域，实现资源的循环利用。
电解水是一种将水分解成氢气和氧气的方法，通过对水施加电流，在阴极产生氢气，在阳极产生氧气。
这种方法具有能源效率高、操作简单等优点，因此被广泛应用于氢能领域。
然而，在实际应用中，电解水还存在一些问题，如电解电压高、电解产氧气纯度不高等，需要进一步研究和改进。
光解水是一种利用光能分解水分子的方法，其中光催化技术是研究的热点之一。
通过设计合适的光催化剂和反应系统，可以实现光能的高效利用，将水分解成氢气和氧气。
然而，目前光催化技术在效率和稳定性等方面还存在挑战，需要进一步深入研究。
除了以上方法，氢气在水处理过程中的资源循环还可以通过微生物电解池、水热反应等方式实现。
微生物电解池是一种利用微生物媒介在外加电流的作用下将有机废水分解成氢气和二氧化碳的方法，具有很高的能量转化效率和环境友好性。
水热反应则是通过高温高压条件下，将水和有机废物反应生成氢气和其他有用产物的方法，具有很高的废物利用价值。
总结一下本文的重点，我们可以发现，氢气在水处理过程中的资源循环研究是一个综合性的课题，涉及到物理、化学、生物等多个学科领域。
通过不断深入研究，可以有效利用水资源，实现资源的循环利用，为解决水资源短缺问题提供重要的技术支持。
希望未来能有更多科研人员投入到这一领域，共同推动氢气在水处理过程中的资源循环研究取得新的突破。
微生物电解池的应用
微生物电解池的应用微生物电解池是一种利用微生物的代谢活性产生电流的设备，它广泛应用于环境治理、能源生产和资源回收等领域。
微生物电解池利用微生物的电化学活性，将有机物降解成二氧化碳、水和电子，从而产生电能。
本文将介绍微生物电解池的应用领域及其优势。
一、环境治理领域1. 废水处理：微生物电解池可用于废水处理厂的废水处理过程中。
通过微生物的代谢活性，将有机物降解为无害的物质，从而达到净化废水的目的。
与传统的废水处理方法相比，微生物电解池具有高效、节能的特点。
2. 污泥处理：微生物电解池可用于污泥的处理过程中。
传统的污泥处理方法需要大量的能源和化学药剂，而微生物电解池利用微生物的电化学活性，可以在无需添加外部能源和药剂的情况下，将污泥中的有机物降解，从而减少了处理成本。
二、能源生产领域1. 生物能源：微生物电解池可用于生物能源的生产过程中。
通过微生物的代谢活性，将有机物转化为电能，可以用于发电或储存。
与传统的能源生产方式相比，微生物电解池具有环保、可持续的特点。
2. 氢气生产：微生物电解池可用于氢气的生产过程中。
通过微生物的电化学活性，将有机物转化为氢气，从而实现清洁能源的生产。
与传统的氢气生产方法相比，微生物电解池具有高效、低成本的特点。
三、资源回收领域1. 有机物回收：微生物电解池可用于有机物的回收过程中。
通过微生物的代谢活性，将有机物降解为可再利用的物质，从而实现资源的回收利用。
与传统的有机物处理方法相比，微生物电解池具有高效、经济的特点。
2. 电子回收：微生物电解池可用于电子的回收过程中。
通过微生物的电化学活性，将有机物转化为电能，并将电能存储起来，从而实现电子的回收利用。
与传统的电子回收方法相比，微生物电解池具有高效、可持续的特点。
微生物电解池在环境治理、能源生产和资源回收等领域具有广泛的应用前景。
它不仅可以实现废水处理和污泥处理的高效节能，还可以实现生物能源和氢气的清洁生产，以及有机物和电子的高效回收利用。
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用空气阴极, 这样就导致氧气扩散到阳极室, 从而抑
制了厌氧菌的生长, 使得好氧菌在整个菌落中占据 主导地位。而 MEC系统是完全厌氧的, 厌氧菌占主
导地位。 » 在 M FC 系统中底物可以透过膜到达阴
极室, 但对于 MEC 而言, 这就为附着在阴极的微生
物提供生长的底物, 而这些阴极微生物可以利用降
总体氢气回收率 rH 2, COD是基于氢气的总回收物 质的量与理论值之比, 即:
rH 2, COD =
nH 2 nH2, COD
阴极氢气回收率 rH2, cat是生成氢气所用的电子
数与到达阴极的总电子数之比, 即:
11314 能量效率
rH 2, c at =
nH 2 nH2, ca t
目前不同 MEC 体系电解效率评价用得较多的
K ey w ords: b iohydrogen production; m icrobia l e lectro lysis ce ll( M EC) ; w astewa ter treatm ent
氢是一种无污染和可再生的能源, 且具有可储 可输的特点, 已引起广泛重视。目前研究用氢作为 能源已经成为国际上的研究热点, 氢能经济已经成 为一个热门的话题 [ 1- 2] 。微生物电解 池 ( m icrob ial electro lysis cel,l MEC ) 是在微生物的 作用下利用电 化学技术将废水中有机物的化学能转化为氢能, 并 同时处理废水的一种装置。MEC 技术可以实现生 物质废物的资源化利用, 在能源和环境问题日益受 到重视的今天具有广阔的 发展前景。M EC 作为一 种最有前途的废水处理技术已受到国内外学者的广
是能量效率, 基于电输入的 M EC 的能量效率 GE 是 产出 的 氢气 所 含 能量 与 输 入能 量 之 比, GE 可超 过 100% [ 6] :
GE
=
WH 2 WE
=
nH 2 $H H 2
Qt ( IEps - I2R e) dt
t= 0
式中, WH2 ( kJ) 为氢气中所含的能量; WE ( kJ) 为由外
人, 025 - 83587349, zsbshen@ 126. com。
# 32#
现代化工
第 30卷第 9期
用于提高氢气产量。但是两者研究的侧重点仍存在
区别: ¹ M EC 产氢与 MFC 产电不同, 它是一个吸热
反应, 需要外加能量才能促使氢气生成。 º 微生物
菌落不同。虽然 M EC 产氢系统与 MFC 产电系统都 是使用产电菌作为接种菌 [ 5 ] , 但是 MFC系统经常采
第 30卷第 9期 2010年 9月
现代化工 M odern Chem ica l Industry
Sep. 2010 # 31#
废水同步生物处理与微生物电解池产氢的 研究进展
王利勇 1, 叶晔捷 1, 陈英文 1, 祝社民 2, 沈树宝 1
( 1. 南京工业大学制药与生命科学学院, 江苏 南京 210009; 2. 南京工业大学材料科学与工程学院, 江苏 南京 210009)
解的氢气, 从 而降低了 M EC 系 统的氢气 产率。因
此, 在双室 M EC 系统中, 必须严格控制底物扩散过
膜材料, 但在单室 MEC 反应器中并没有考虑底物扩
散到阴极的损失。 ¼M EC 制氢系统较 MFC 更为复
杂。例如, MEC 系统中氢气的损失是由于氢气扩散
到阳极室以及生长在阴极上的细菌的降解作用。产
的
评
价
指
标。
对
于
已知
的底物, 较容易计算出底物消耗的质量。假设 $CS
( g) 为 底 物 变 化 的 质量, 底 物 的 摩 尔 质 量 为 M S
( g /m o l) , 则氢气转化率为:
YH 2
=
nH 2M S $C S
式中, nH2为实验中回收氢气的物质的量, 由氢气体
积 ( VH 2 )按理想气体定律计算得到:
泛关注, 特别是近几年来在此研究领域取得了长足 的进步 [ 3- 4] 。
本文首先简述了 M EC 制氢技术的基本原理、组 成、与微生物燃 料电池 ( MFC ) 的差 异及其 效率评 价, 然后从影响 MEC 性能的因素和 MEC 制氢技术 的关键材料 ) ) ) 阳极、阴极和膜材料等方面阐述了 最近国内 外的研 究进展, 探 讨了 今后 工作的 发展 趋势。
水相比, 能量效率更为重要。因为在 M EC 系统中, 由于有机物含有能量, 并且体系中是有机物而不是
水被电解, 输入的电能使质子和电子重新结合生成
氢气, 因此能量效率比系统的整体性更为重要。而
电解水的能量效率较低, 仅为 50% ~ 70% , 因为商
业化的电解水通常在总投资和产率上优化, 但不考 虑能量效率。
化的总的电量。基于测量的电流, 计算得到的氢气
物质的量 nH2, cat为:
nH2, ca t =
Qt Idt
t= 0
2F
式中, I 为 电 流; F 为 法 拉 第 常 数, F = 96485 C / m o l e- 。
基于 COD 去除 的 理论 最 大 氢气 产 率 nH2, COD ( m o l) 为:
加电源提供的能量减去通过电阻的能量损失; $H H2
( 285183 kJ/m o l) 为氢 气的燃烧 热; Eps ( V ) 为外加
2010年 9月
王利勇等: 废水同步生物处理与微生物电解池产氢的研究进展
# 33#
电源提供的电压; R e( 8 ) 为外加电阻。
基于电能输入的 M EC 产氢的能量效率与电解
氢气产率 [ m g( H 2 ) /m g( COD ) ] 为:
YH2
=
nH
M
2
H
2
VL $ COD
式中, MH2 ( g /m o l) 为氢气的摩尔质量, VL 为阳极室 的液体 体积, $COD ( m g /L ) 为 连续 流中 的进 出水
COD质量浓度之差或是间歇流中始点和终点 COD
质量浓度之差。
11312 库仑效率 产能是运行 M EC 的一个主要目标, 即试图尽量
多地提取底物中存储的电子, 尽量多地从系统中回 收能量。库仑效率 CE 是一个很重要的 评价指标, 它可以反映出电子的回收率。
1A 的定义为 每秒传 递 1 C 的电 荷, 即 1 A = 1 C / s。因此将电流对时间积分, 就能得到系统中转
氢过程中需要确保产出的氢气不再扩散回阳极室。
但在 M FC 系统中没有相似的问题, 因为 M FC 阴极
的氧化产物为水。此外, 氢气的产生对 MEC制氢装
置的气密性要求更高。
113 M EC 制氢效率评价 11311 氢气转化率
M EC 系统的性能可以用多种方法来表征, 氢气
转化率
YH
就
2
是一
个
很
重要
( 2008ZX07101- 003) ; 江苏省环保科技项目 ( 2007020) ; 南京工业大学青年教师学术基金 ( 39708014) 作者简介: 王利勇 ( 1985- ) , 男, 硕士生; 沈树宝 ( 1957 - ) , 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主 要从事酶工程、多肽合成、环境 工程的研究, 通 讯联系
Ab stract: H ydrogen production by m icrob ia l e lectro ly sis ce ll( M EC ) is capab le of converting chem ical energy presented in o rganic w astewa ter into clean hydrogen energy w ith accom plishm ent of w astew ater treatments sim ultaneously, wh ich poss ibly captures considerable env ironm enta l and econom ic benefits. T he m echanism and com pos ition o fM EC are summ arized. T he key m ater ia ls and core techno log ies o f M EC are rev iew ed and its potentia l applica tion is proposed.
摘要: 微生物电解池 ( M EC )制氢技术可以将有机废水中的化学能直接转化为最清洁的 氢能, 同时又能处 理污水, 具有显著
的环境效益和经济效益。较详细介绍了 M EC 的原理和组成, 综述了 M EC 制氢的关键材料和核心技术, 展望了其发展前景。
关键词: 生物制氢; 微生物电解池; 废水处理
1 MEC 制氢技术简介
111 基本原理和组成 微生物电解池是以阳极微生物作为催化剂, 利
用电化学技术将废水中有机物的化学能转化为氢能 的装 置, 由 阳极 和 阴极 组 成, 中 间用 质子 交 换膜 ( PEM ) 分开, 如图 1所示。
图 1 微生物电解池及工作原理 112 M EC 与 M FC的差异
中图分类号: TQ 035; TQ 116. 2
文献标识码: A
文章编号: 0253 - 4320( 2010) 09- 0031- 05
Advan ces in b iological w astew ater treatm en t and simu ltan eou sly hydrogen generation from organ ic w astew ater by m icrob ial electrolysis cell