微生物电解池去除废水中重金属的性能特征与机制

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0779

摘要/Abstract

摘要：

微生物电解池（MECs）有机结合了电活性微生物与电化学系统，其克服了传统物化法净化低浓度重金属废水时低效、不经济和产生二次污染等缺点，在处理低浓度重金属废水中具有较大应用潜力。总结归纳了MECs处理重金属废水的研究现状、影响因素以及作用机制等。综述表明，MECs可能通过阴/阳极还原反应、化学沉淀以及微生物吸附等机制，有效去除废水中多种重金属离子，对于Cr（Ⅵ）、Cu（Ⅱ）和Ag（Ⅰ）等高电位金属离子，以阴极还原去除为主导，其MECs净化效率达95.0%~99.1%，而对于低电位金属离子，以微生物吸附与化学沉淀为主导，效率达40.7%~87.0%。重金属的MECs去除过程主要受到电极材料、溶液化学特征和辅助电压等因素的影响，其中，阴极催化性能、材料成本和长期稳定性是影响MECs效能的关键参数。但目前MECs处理重金属的报道较少，MECs装置投资成本、适应规模和技术放大等依然制约着该技术推广应用；加强MECs经济电极开发、关键因素分析与调控、净化机制与电子转移途径的研究是降低构造成本、提升处理规模、适应复杂废水环境以及推动MECs技术广泛应用的关键所在。

关键词: 微生物电解池, 重金属, 去除性能

Abstract:

Microbial electrolytic cells（MECs），an organic combination of electroactive microorganisms and electrochemical systems，have great potential to overcome the low efficiency，uneconomic and secondary pollution in the purification of low concentration heavy metal wastewater by traditional physicochemical methods. The research status，influencing factors and mechanism of the removal of heavy metals from wastewater by MECs were summarized. The review showed that MECs could effectively remove a variety of heavy metal ions from wastewater through negative/anode reduction reaction，chemical precipitation and microbial adsorption. For Cr（Ⅵ），Cu（Ⅱ） and Ag（Ⅰ） metal ions with high potential，the removal efficiency of MECs could reach 95.0%-99.1% with the cathode reduction as the main removal mechanism. For low potential metal ions，microbial adsorption and chemical precipitation were dominant，and the efficiency reached 40.7%-87.0%. The removal process of heavy metals by MECs was mainly affected by electrode materials，chemical characteristics of solution and auxiliary voltage. Among them，cathode catalytic performance，material cost and long-term stability were the key parameters that affected the MECs efficiency. However，there were few reports about the treatment of heavy metals by MECs at present. Such as investment cost，adaptation scale and technology amplification of MECs devices still restricted the popularization and application of this technology. Strengthening the development of MECs economic electrode，the analysis and control of key factors，the study of purification mechanism and electron transfer pathway were the key to reduce the construction cost，improve the scale of treatment，adapt to the complex wastewater environment and promote the application of MECs technology.

Key words: microbial electrolysis cells, heavy metal, removal performance

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I5/26

图/表 3

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序号	目标离子	装置布置及关键参数	净化效果	途径与机制	参考文献
1	Co²⁺	双室MFCs-MECs耦合系统；石墨毡为MFCs和MECs阳极，以及MFCs阴极，碳棒为MECs阴极	可有效回收Co²⁺	阴极还原	〔21〕
2	Ni²⁺	双室MECs；石墨纤维刷为阳极，铜片为阴极	去除率达40.7%	阴极还原	〔24〕
3	Cd²⁺	单室MECs；石墨纤维刷为阳极，不锈钢网为阴极	24 h内去除率达50%~67%	阴极还原/Cd（OH）₂沉淀/CdCO₃沉淀	〔25〕
4	Cr⁶⁺	双室MFCs；阴极由天然金红石涂层抛光石墨制成，阳极为未抛光的石墨板	去除率达97%（26 h）	Cr₂O₇ ^2-被还原为Cr₂O₃/Cr（OH）₃沉淀	〔27〕
5	Ni²⁺	双室MECs；碳毡为阳极，不锈钢网为阴极；外加电压1.1 V	去除率达67%	阴极还原	〔28〕
6	Zn²⁺	双室MECs；碳毡为阳极，钛丝为阴极；外加电压1.7 V	3 h内去除率达65.8%	阴极还原	〔20〕
7	Cu²⁺、Ni²⁺	双室MECs；石墨刷为阳极，载铂碳布为阴极；外加电压1.0 V	24 h内Cu²⁺去除率达95%，42 h内Ni²⁺去除率达87%	阴极还原	〔29〕
8	Co²⁺	双室MECs；石墨刷为阳极，石墨毡为阴极；外加电压0.3~0.5 V	6 h内去除率达92.2%	阴极还原	〔22〕
9	Ag⁺	双室MFCs；碳刷为阳极，带钛丝的碳纤维为阴极	去除率达98.26%~99.91%	阴极还原	〔13〕
10	Au³⁺	双室MFCs；碳刷为阳极，碳布为阴极	回收率达99.89%	阴极还原	〔12〕

序号	目标离子	装置布置及关键参数	净化效果	途径与机制	参考文献
1	Co²⁺	双室MFCs-MECs耦合系统；石墨毡为MFCs和MECs阳极，以及MFCs阴极，碳棒为MECs阴极	可有效回收Co²⁺	阴极还原	〔21〕
2	Ni²⁺	双室MECs；石墨纤维刷为阳极，铜片为阴极	去除率达40.7%	阴极还原	〔24〕
3	Cd²⁺	单室MECs；石墨纤维刷为阳极，不锈钢网为阴极	24 h内去除率达50%~67%	阴极还原/Cd（OH）₂沉淀/CdCO₃沉淀	〔25〕
4	Cr⁶⁺	双室MFCs；阴极由天然金红石涂层抛光石墨制成，阳极为未抛光的石墨板	去除率达97%（26 h）	Cr₂O₇ ^2-被还原为Cr₂O₃/Cr（OH）₃沉淀	〔27〕
5	Ni²⁺	双室MECs；碳毡为阳极，不锈钢网为阴极；外加电压1.1 V	去除率达67%	阴极还原	〔28〕
6	Zn²⁺	双室MECs；碳毡为阳极，钛丝为阴极；外加电压1.7 V	3 h内去除率达65.8%	阴极还原	〔20〕
7	Cu²⁺、Ni²⁺	双室MECs；石墨刷为阳极，载铂碳布为阴极；外加电压1.0 V	24 h内Cu²⁺去除率达95%，42 h内Ni²⁺去除率达87%	阴极还原	〔29〕
8	Co²⁺	双室MECs；石墨刷为阳极，石墨毡为阴极；外加电压0.3~0.5 V	6 h内去除率达92.2%	阴极还原	〔22〕
9	Ag⁺	双室MFCs；碳刷为阳极，带钛丝的碳纤维为阴极	去除率达98.26%~99.91%	阴极还原	〔13〕
10	Au³⁺	双室MFCs；碳刷为阳极，碳布为阴极	回收率达99.89%	阴极还原	〔12〕

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