自产Fenton试剂水处理系统降解双酚A的研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2025-0202

工业水处理 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (2): 150-159. doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2025-0202

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自产Fenton试剂水处理系统降解双酚A的研究

张培健¹^,²^,³(), 张胜¹, 吴昌永²^,³, 许有刚⁴, 胡宇年⁴, 徐敏²^,³()

^1. 河北工程大学能源与环境工程学院，河北邯郸 056038
^2. 中国环境科学研究院环境基准标准与风险管控全国重点实验室，北京 100012
^3. 中国环境科学研究院环境污染控制工程技术研究中心，北京 100012
^4. 兰州新区博石环保有限公司，甘肃兰州 730300

收稿日期:2025-05-27 出版日期:2026-02-20 发布日期:2026-03-03
通讯作者: 徐敏
作者简介:
张培健（1999— ），硕士，E-mail：2522584664@qq.com。
基金资助:
中央级公益性科研院所基本科研业务专项(2024YSKY-52)

Degradation of bisphenol A using a self-generated Fenton reagent in a water treatment system

Peijian ZHANG¹^,²^,³(), Sheng ZHANG¹, Changyong WU²^,³, Yougang XU⁴, Yunian HU⁴, Min XU²^,³()

^1. School of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China
^2. National Key Laboratory of Environmental Benchmarking Standards and Risk Control, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
^3. Research Center of Environmental Pollution Control Engineering Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
^4. Lanzhou New Area Boshi Environmental Protection Co. , Ltd. , Lanzhou 730300, China

Received:2025-05-27 Online:2026-02-20 Published:2026-03-03
Contact: Min XU

摘要/Abstract

摘要：

在微生物燃料电池的基础上，采用富集铁还原菌的碳纤维刷电极作为生物阴极，构成生物阳极-生物阴极燃料电池，并结合碳纳米管和聚四氟乙烯改性碳毡作为阴极的电解池单元，构建三室自产Fenton试剂水处理系统。考察了该系统中微生物组成、Fe²⁺和H₂O₂的原位生产能力以及对双酚A（BPA）的生物降解与Fenton氧化降解性能。结果表明，Geobacter为生物阳极上主要的产电微生物，生物阴极存在具有较强铁还原功能的微生物Comamonas和Acinetobacter。在生物阴极室pH=4.5、柠檬酸添加量0.3 mmol/L、电解池单元电压3.0 V、曝气量40 mL/min的优化条件下，系统自产Fe²⁺和H₂O₂的质量浓度分别为10 mg/L和30 mg/L。生物阴极对合成废水中5 mg/L BPA的降解率为31.0%，进一步投加5 mg/L系统自产H₂O₂进行Fenton氧化后，系统对BPA的总降解率提升至93.1%。此外，系统对实际废水中的BPA也具有较好的降解效果。

关键词: 微生物燃料电池, 生物阴极, 电解池, 铁泥循环, 双酚A

Abstract:

On the basis of microbial fuel cells, a carbon fiber brush electrode enriched with iron reducing bacteria was used as the biocathode to form a bioanode-biocathode fuel cell. Combined with carbon nanotubes and polytetrafluoroethylene modified carbon felt as the cathode electrolytic cell unit, a three-chamber self-generated Fenton reagent water treatment system was constructed. The microbial composition, in-situ production capacity of Fe²⁺ and H₂O₂, and the biodegradation and Fenton oxidation degradation performances of bisphenol A(BPA) in the system were investigated. The results indicated that Geobacter was the main electricity producing microorganism on the biological anode, and there were strong iron reducing microorganisms Comamonas and Acinetobacter present on the biological cathode. Under the optimized conditions of pH=4.5 in the biological cathode chamber, citric acid addition of 0.3 mmol/L, electrolytic cell unit voltage of 3.0 V, and aeration rate of 40 mL/min, the mass concentrations of Fe²⁺ and H₂O₂ produced by the system were 10 mg/L and 30 mg/L, respectively. The degradation rate of 5 mg/L BPA in synthetic wastewater by the biocathode was 31.0%. After further adding 5 mg/L of self-generated H₂O₂ from the system for Fenton oxidation, the total degradation rate of BPA by the system increased to 93.1%. In addition, the system also had a good explanatory effect on BPA in actual wastewater.

Key words: microbial fuel cell, biocathode, electrolytic cell, iron sludge recycling, bisphenol A

中图分类号:

X703
O646.5

张培健, 张胜, 吴昌永, 许有刚, 胡宇年, 徐敏. 自产Fenton试剂水处理系统降解双酚A的研究[J]. 工业水处理, 2026, 46(2): 150-159.

Peijian ZHANG, Sheng ZHANG, Changyong WU, Yougang XU, Yunian HU, Min XU. Degradation of bisphenol A using a self-generated Fenton reagent in a water treatment system[J]. Industrial Water Treatment, 2026, 46(2): 150-159.

https://www.iwt.cn/CN/Y2026/V46/I2/150

图/表 13

图1 反应装置示意（a）和实物图（b）

Fig.1 Schematic diagram of the reaction apparatus（a） and photograph of the actual device（b）

表1 生物阳极合成基质的组成

Table 1 Composition of bioanode synthetic matrix

项目	试剂	混合前各组分溶液质量浓度/（g‧L^-1）
乙酸钠	乙酸钠（C₂H₃NaO₂）	1.00
缓冲溶液	二水合磷酸二氢钠（NaH₂PO₄‧2H₂O）	3.32
	十二水磷酸氢二钠（Na₂HPO₄‧12H₂O）	10.36
	氯化铵（NH₄Cl）	0.31
	氯化钾（KCl）	0.31
维生素溶液	叶酸（C₁₉H₁₉N₇O₆）	0.30
	烟酸（C₆H₅NO₂）	0.50
	维生素B₁（C₁₂H₁₇N₄OS⁺）	0.50
	对氨基苯甲酸（C₇H₇NO₂）	0.50
	维生素B₂（C₁₇H₂₀N₄O₆）	0.50
金属盐溶液	七水硫酸镁（MgSO₄‧7H₂O）	6.14
	硫酸锰（MnSO₄‧H₂O）	0.56
	氯化钠（NaCl）	1.00
	七水合硫酸亚铁（FeSO₄‧7H₂O）	0.10
	二水氯化钙（CaCl₂‧2H₂O）	0.10
	硫酸锌（ZnSO₄）	0.15
	五水硫酸铜（CuSO₄‧5H₂O）	0.01

图2 生物阳极在产电微生物富集培养阶段的输出电压

Fig.2 Output voltage of the bioanode during the enrichment cultivation stage of electrogenic microorganisms

图3 MFC启动后Fe²⁺产量随运行时间的变化（a）与生物阴极驯化完成后输出电压随测试时间的变化（b）

Fig.3 The variation in Fe²⁺ production with operating time after MFC startup （a）， and the change in output voltage with testing time after biocathode acclimation completion（b）

图4 生物阳极（a）和生物阴极（b）的微生物属水平组成

Fig.4 Microbial compositions at the genus level for the bioanode （a） and biocathode （b）

图5 Fe³⁺形态随pH的变化

Fig.5 The morphology change of Fe³⁺ with pH

图6 不同pH条件下阴极室Fe²⁺的质量浓度

Fig.6 Mass concentration of Fe²⁺ in the cathode chamber under different pH conditions

图7 柠檬酸强化生物阴极再生Fe²⁺的效果

Fig.7 Effect of citrate enhancement on Fe²⁺ regeneration by the biocathode

图8 CF及CF-CNT电极产H₂O₂性能（a）、循环伏安曲线（b）、Nyquist曲线（c）及其SEM（d）

Fig.8 H₂O₂ production performances（a），cyclic voltammetry curves（b） and Nyquist curves（c），and SEM images of CF and CF-CNT electrodes（d）

图9 电压（a）和曝气量（b）对Pt/CF-CNT电解池产H₂O₂性能的影响

Fig.9 The influence of voltage （a） and aeration rate （b） on the H₂O₂ production performance of Pt/CF-CNT electrolysis cell

图10 柠檬酸浓度（a）和H₂O₂质量浓度（b）对系统降解BPA的影响

Fig.10 The influence of citric acid concentration （a） and H₂O₂ concentration （b） on the degradation of BPA in the system

图11 系统内铁泥循环利用性能

Fig.11 Recycling performance of iron sludge within the system

图12 系统对实际废水中BPA的降解性能

Fig.12 Degradation performance of the system for BPA in real wastewater

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