三维生物膜电极技术在污水处理中的应用及研究进展

吴莉娜， 李 进， 闫志斌， 苏柏懿， 王春艳

(北京建筑大学城市雨水与水环境教育部重点实验室， 北京 100044)

现有研究认为，3D-BER中同时存在物理、化学、生物作用及相互耦合作用[5]。作为一种符合中国国情的新兴废水处理技术，前期研究中，3D-BER主要用于去除污水中硝酸盐氮[6]。近期，三维生物膜电极工艺在氨氮废水、含磷废水、染料废水、重金属废水、抗生素废水等废水处理方面也取得了较大进展。结合3D-BER中外研究现状，重点阐述3D-BER的结构特点、微生物种群及其实际应用，分析厌氧微生物在3D-BER中的应用可行性，并为三维生物膜电极技术工程化提供新思路。

1 三维生物膜电极技术原理及类型

1.1 原理及特点

三维生物膜电极技术的基本原理：同一体系中，通过耦合电化学反应和生物作用，充分发挥阴极、阳极、填料电极的生物载体作用，利用电化学氧化还原、微生物新陈代谢(生物膜)、物理化学吸附及其相互作用，达到高效、低耗去除废水中污染物的目的。

0.16C5H7O2N+N2+5.6H2O+2.16OH-

(1)

磷的去除主要是通过电场刺激提高除磷功能菌的生物活性，促进反应器中的好氧吸磷和厌氧释磷过程，从而增强生物除磷效果[8]，同时体系中发生的物理吸附和化学沉淀也起到关键作用。重金属离子则是利用3D-BER的电化学-生物吸附作用实现转化、去除[9-10]。

(2)3D-BER去除有机物：一是利用阴极区提供的厌氧还原条件和H2加快难降解有机物的生物还原速率，阳极区则产生好氧氧化条件和O2完成污染物中间体的转化；二是利用主极产生的羟基自由基(OH·)以及颗粒电极上电氧化产生的强氧化剂(如H2O2、Cl2、HClO)分解难降解物质，从而达到高效处理有机废水目的[8,11-12]。

(3)3D-BER技术特点如下：①能源消耗低，处理效率高，出水水质好，抗冲击、负荷能力强，高浓度废水处理中优势明显；②反应器优化空间大，耦合方式多样，应用前景广阔；③反应器结构紧凑，占地面积小，易监管调控，易设备化、工程化；④反应机理复杂，物理-化学-生物同步反应，提供更多氧化还原可能性。

1.2 反应器类型

三维生物膜电极技术是电化学反应耦合生物作用的技术，其反应器构造需满足耦合技术的特性需求。通过优化反应器结构(如反应器形状、电极布置形式、极板间距、反应分区等)，加快反应器启动，提高去除效率，节约反应空间，降低能源消耗。目前，根据耦合形式可将3D-BER分为中心型、平板型、分隔型和复合型。其中中心型3D-BER应用最为广泛，复合型3D-BER则更符合技术发展趋势。

随着研究的不断深入，更多满足污水多元化处理需求(如废水种类、水质指标、经济适用等)的复合型3D-BER会被开发。加强三维电化学与厌氧生物法的耦合技术研究，提高3D-BER集成技术的创新性，进一步降低处理成本，加速实现3D-BER国产化、工程化。

2 三维生物膜电极技术在废水处理中的应用

2.1 无机废水

2.2 有机废水

3 三维生物膜电极技术研究进展

3.1 反应器启动

加强3D-BER启动过程的研究，有利于缩短挂膜时间、实现处理效果稳定和丰富生物多样性，目前主要通过挂膜、驯化、稳定三阶段实现3D-BER的启动。

目前，针对三维生物膜电极技术的研究主要集中在反应器构造、电极材料和影响因素方面，关于3D-BER启动特性研究不够深入，应加强阴极、阳极和颗粒电极挂膜过程的微生物种群分析，对比不同挂膜方式、驯化方法下3D-BER启动情况，探究温度、梯度电流、HRT对反应器启动的影响，实现快速低耗启动反应器的同时获得高效稳定的处理效率。

3.2 电极材料

3D-BER中电极材料的选择需要综合废水种类、处理效率、使用寿命、价格成本进行考量，能够整体满足物理、化学和生物作用及其相互作用(如吸附、生物降解、电吸附、电化学氧化和电生物降解[39])的客观要求。

3.3 微生物多样性

研究废水处理过程中3D-BER的微生物多样性对优化反应器性能具有重要意义。目前有关3D-BER中微生物种群的研究较少，其中以脱氮菌群特征的研究为主。

李素梅等[14]采用3D-BER处理硝酸盐氮废水时，挂膜培养后，采用电镜扫描填料生物膜发现，优势菌形态由污泥中的球状COD降解菌(1 μm左右)转变为生物膜中的反硝化短状杆菌(1～2 μm)。这一研究结果与郭劲松等[17]在3D-BER全程自养脱氮中的报道类似，阴极活性炭纤维毡与活性炭颗粒表面优势菌分别为短杆状和微球状氢自养反硝化细菌。随着研究不断深入，王建超等[48]探究三维生物膜电极耦合硫自养反应器(3DBER-S)脱氮机理，根据16S rDNA克隆文库结果显示，3DBER-S中β变形菌纲(β-proteobacteria)具有绝对优势，占比47.89%，其中与具有反硝化功能的陶厄氏菌(Thauera)、硫杆菌(Thiobacillus)和食酸菌(Acidovorax)相似的细菌分别占52.94%、17.65%和14.71%，表明3DBER-S中发生了异养耦合氢自养反硝化以及硫自养反硝化协同脱氮反应。徐忠强等[4]同样利用3DBER-S进行废水脱氮研究，分析阴极生物膜的菌群特征，与王建超等[19]研究一致的是β变形菌纲仍为优势反硝化菌，占细菌总数的59.22%；不同的是，其中与固氮弧菌(Azoarcustolulyticus)、趋磁螺菌(Magnetospirillummagneticum)类似的异养反硝化细菌分别占44.74%、21.05%，而与能够以S单质和H2为电子供体进行反硝化脱氮的陶厄氏菌属(Thauera)相似的细菌仅占7.9%。另有硫单胞菌(Sulfuricelladenitrifican)、高氯酸盐降解菌(Dechlorospirillumsp.)异养反硝化相似菌占5.26%和3.95%[4]。也有报道称，厌氧条件下陶厄氏菌(Thauera)能以有机物(如苯酸盐、乙酸盐等)为电子供体进行反硝化[47,52]；由此可见，3D-BER中的微生物功能反应是复杂的，其他更多菌纲微生物(如γ变形菌纲，γ-Proteobacteria、ε变形菌纲，ε-proteobacteria等)在3D-BER中的功能有待进一步探究。

表1 三维生物膜电极技术中典型电极材料

近期，3D-BER在重金属、抗生素、有机染料等污染物的去除方面也取得相应进展。Li等[26]处理含抗生素(SDZ、CIP)、重金属(Zn)共存废水时，变形杆菌(Proteobacteria)是阴极生物膜的优势菌，所占比例为30.7%，其次是拟杆菌(Bacteroidetes)、绿弯菌(Chloroflexi)、脱硫叶状菌(Desulfobulbus)、厚壁菌(Firmicutes)、酸杆菌(Acidobacteria)等分别占16.7%、11.8%、3.4%、2.8%、2.1%。Zhang等[37]处理SMX、COD废水时，分析3D-BER中主要微生物种群的组成和相对丰度，与Li等[26]研究结果相似，变形杆菌(Proteobacteria)作为优势菌占比 47.3%。Wang等[53]在SDZ和CIP的生物降解过程中也检测到大量的变形杆菌(Proteobacteria)、拟杆菌(Bacteroidetes)和酸杆菌(Acidobacteria)参与，且发现拟杆菌(Bacteroidetes)能有效降解难降解有机物。Xue等[54]还发现变形杆菌(Proteobacteria)具有去除磺胺甲恶唑、降低废水毒性的功能。另外，Li等[26]还在阴极生物膜发现了甲苯单胞菌(Tolumonas)等具有降解抗菌有机物功能的菌属，可能在抗生素目标污染物去除中起关键作用[25]。Wang等[55]还报道称变形杆菌(Proteobacteria)和拟杆菌(Bacteroidetes)菌属包含多种电化学活性细菌，从而保证了3D-BER的处理效果。为进一步明确细菌功能，Li等[26]采用FAPROTAX进行功能注释预测，鉴定出包括9门、37属的主要功能细菌，其中甲烷营养(16属)、产甲烷(13属)、硝化(6属)、硫酸盐呼吸(7属)、发酵(26属)、芳香烃降解(2属)，碳氢化合物降解(15属)、铁呼吸(12属)和化学异养(32属)。

4 结论及展望

目前，三维生物膜电极技术仍处于实验室研究阶段，中外研究主要集中在反应器构造、电极材料、影响因素(如电场强度、pH、温度等)，但在电-生物耦合作用方面，多处于宏观效应层面，对微观机理研究不够深入，且针对反应器中微生物种群结构、生物酶活性及细菌功能方面的理论研究相对分散，尚不健全，制约了3D-BER技术的进一步发展。针对3D-BER研究现状，现提出一些需要加强研究和亟待解决的重点、难点问题。

(1)基于分子生物学，揭示电场刺激与微生物生长、代谢、多样性的相互关系，结合多种现代化检测、分析技术，解析3D-BER中电化学和微生物作用机理。

(2)重视厌氧微生物耦合3D-BER反应器的开发研究，尤其是三维厌氧氨氧化生物膜电极反应器的构建，有利于实现全程自养脱氮，深度脱氮除碳。

(3)加强3D-BER在医疗废水、染料废水、苯酚废水、垃圾渗滤液等方面的处理研究，确定、筛选相应的功能菌属，明确关键控制因子与不同污染物去除的定量关系，寻求最佳反应条件，加强工程适用性分析，拓展3D-BER的应用面。

(4)重点开发高效复合型3D-BER及廉价耐用、电活性高的颗粒电极，尤其是新型负载电极、涂料电极的研究。

(5)加强3D-BER中电活性微生物抗负荷研究，通过控制系统电场强度、浓度、温度、pH等影响因素，探讨最优反应条件，为未来实际应用提供理论基础。

(6)作为一种新型废水处理技术，应加强中试研究，扩大处理研究规模，快速实现设备化、工程化。