微电流耦合磁性炭强化有机物厌氧降解研究进展

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0271

摘要/Abstract

摘要：

厌氧生物技术具有应用范围广、能耗低与资源回收等突出优势，是实现废水有机污染物“减污降碳协同增效”最有效的绿色技术之一，广泛应用于废水处理领域。但传统厌氧技术出水可生化性差，系统易酸化。如何提高厌氧生物技术的高效性及系统稳定性已成为国内外的研究热点。通过国内外文献调研，分别介绍了磁性炭、微电流以及微电流耦合炭材料这3种方式用于强化厌氧生物技术的研究进展，分析了磁性炭及微电流强化厌氧生物降解有机物存在的强化机理以及目前该技术的应用进展，讨论了微电流耦合碳材料构建二维、三维生物电化学系统对强化厌氧生物降解有机污染物的促进作用，并提出了厌氧生物技术今后研究需关注的重点，以期为厌氧生物降解有机污染物的未来研究提供参考。

关键词: 磁性炭, 厌氧, 直接种间电子传递, 微生物电化学

Abstract:

Anaerobic biotechnology has a wide range of applications，low energy consumption，resource recovery and other outstanding advantages. It is one of the most effective green technologies to achieve the “synergistic effect of pollution reduction and carbon reduction” of organic pollutants in wastewater，which is widely used in the field of wastewater treatment. However，the effluent of traditional anaerobic technology has poor biodegradability and the system is easy to acidify. How to improve the efficiency of anaerobic biotechnology and the system stability becomes a research hotspot at home and abroad. In this paper，the research progress of magnetic carbon，microcurrent and microcurrent-coupled carbon materials for enhancing anaerobic biotechnology was introduced through domestic and international literature research. The promotion of anaerobic biodegradation of organic pollutants by two- and three-dimensional bio-electrochemical systems with microcurrent-coupled carbon materials was discussed，and the focus of future research on anaerobic biotechnology was proposed in order to provide reference for future research on anaerobic biodegradation of organic pollutants.

Key words: magnetic biochar, anaerobic, direct interspecific electron transfer, microbial electrochemistry

中图分类号:

X703

梁茹婷, 庄海峰. 微电流耦合磁性炭强化有机物厌氧降解研究进展[J]. 工业水处理, 2023, 43(5): 1-8.

Ruting LIANG, Haifeng ZHUANG. Advances in the enhancement of anaerobic degradation of organic matter by magnetic carbon coupled with microcurrent[J]. Industrial Water Treatment, 2023, 43(5): 1-8.

https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I5/1

图/表 2

参考文献 48

1	张海兵，周亚松，郭绍辉，等. 高级氧化技术处理苯胺废水应用进展［J］. 工业水处理，2021，41（6）：167-172. doi:10.11894/iwt.2020-0641
	ZHANG Haibing， ZHOU Yasong， GUO Shaohui，et al. Advances of advanced oxidation process to treat aniline wastewater［J］. Industrial Water Treatment，2021，41（6）：167-172. doi:10.11894/iwt.2020-0641
2	王德欣. 外源强化厌氧处理费托合成废水的效能研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018. doi:10.1016/j.biortech.2018.02.084
	WANG Dexin. Research on enhanced anaerobic treatment of Fischer-Tropsch wastewater with the assistance of exogenous source［D］. Harbin：Harbin Institute of Technology，2018. doi:10.1016/j.biortech.2018.02.084
3	田帅，朱易春，黄书昌，等. 厌氧生物处理低浓度污水研究进展［J］. 化工进展，2021，40（4）：2338-2346.
	TIAN Shuai， ZHU Yichun， HUANG Shuchang，et al. Research progress in anaerobic biological treatment of low-strength sewage［J］. Chemical Industry and Engineering Progress，2021，40（4）：2338-2346.
4	LOVLEY D R. Live wires：Direct extracellular electron exchange for bioenergy and the bioremediation of energy-related contamination［J］. Energy & Environmental Science，2011，4（12）：4896. doi:10.1039/c1ee02229f
5	吴明山，马建锋，杨淑敏，等. 磁性生物炭复合材料研究进展［J］. 功能材料，2016，47（7）：7028-7033. doi:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.006
	WU Mingshan， MA Jianfeng， YANG Shumin，et al. Progress of the magnetic biochar composite materials［J］. Journal of Functional Materials，2016，47（7）：7028-7033. doi:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.006
6	PEREIRA L， DIAS P， SOARES O S G P，et al. Synthesis，characterization and application of magnetic carbon materials as electron shuttles for the biological and chemical reduction of the azo dye Acid Orange 10［J］. Applied Catalysis B：Environmental，2017，212：175-184. doi:10.1016/j.apcatb.2017.04.060
7	LI Lingli， TONG Zhonghua， FANG Caiyun，et al. Response of anaerobic granular sludge to single-wall carbon nanotube exposure［J］. Water Research，2015，70：1-8. doi:10.1016/j.watres.2014.11.042
8	ZHANG Jishi， FAN Chuanfang， ZHAO Wenqian，et al. Improving bio-H₂ production by manganese doped magnetic carbon［J］. International Journal of Hydrogen Energy，2019，44（49）：26920-26932. doi:10.1016/j.ijhydene.2019.08.148
9	ZHANG Min， LI Jianhua， WANG Yuncai. Impact of biochar-supported zerovalent iron nanocomposite on the anaerobic digestion of sewage sludge［J］. Environmental Science and Pollution Research International，2019，26（10）：10292-10305. doi:10.1007/s11356-019-04479-6
10	KATO S， HASHIMOTO K， WATANABE K. Methanogenesis facilitated by electric syntrophy via（semi）conductive iron-oxide minerals［J］. Environmental Microbiology，2012，14（7）：1646-1654. doi:10.1111/j.1462-2920.2011.02611.x
11	ZHANG Mingyuan， MA Yunqian， JI Dandan，et al. Synergetic promotion of direct inter species electron transfer for syntrophic metabolism of propionate and butyrate with graphite felt in anaerobic digestion［J］. Bioresource Technology，2019，287：121373. doi:10.1016/j.biortech.2019.121373
12	LIU Fanghua， ROTARU A E， SHRESTHA P M，et al. Promoting direct inter species electron transfer with activated carbon［J］. Energy & Environmental Science，2012，5（10）：8982. doi:10.1039/c2ee22459c
13	LEE S H， KANG H J， LIM T G，et al. Magnetite and granular activated carbon improve methanogenesis via different metabolic routes［J］. Fuel，2020，281：118768. doi:10.1016/j.fuel.2020.118768
14	王福振，万红友，赵子升，等. 生物炭负载纳米Fe₃O₄强化活性红2厌氧降解［J］. 工业水处理，2021，41（5）：58-61. URL
	WANG Fuzhen， WAN Hongyou， ZHAO Zisheng，et al. Biochar loaded with Nano-Fe₃O₄ enhances the anaerobic degradation of reactive red 2［J］. Industrial Water Treatment，2021，41（5）：58-61. URL
15	李诗阳. 铁氧化物强化厌氧生物处理过程中胞外电子传递及其调控［D］. 大连：大连理工大学，2019.
	LI Shiyang. Enhancement and regulation of extracellular electron transfer in anaerobic biological treatment by iron oxides［D］. Dalian：Dalian University of Technology，2019.
16	ZHANG Zhaohan， GAO Peng， CHENG Jiaqi，et al. Enhancing anaerobic digestion and methane production of tetracycline wastewater in EGSB reactor with GAC/NZVI mediator［J］. Water Research，2018，136：54-63. doi:10.1016/j.watres.2018.02.025
17	ZHUANG Haifeng， HAN Hongjun， XU Peng，et al. Biodegradation of quinoline by Streptomyces sp. N01 immobilized on bamboo carbon supported Fe₃O₄ nanoparticles［J］. Biochemical Engineering Journal，2015，99：44-47. doi:10.1016/j.bej.2015.03.004
18	谢嘉玮，朱国营，谢军祥，等. 难降解废水生物电化学系统强化处理的研究进展［J］. 工业水处理，2020，40（10）：1-7. URL
	XIE Jiawei， ZHU Guoying， XIE Junxiang，et al. Research progress on enhanced treatment of refractory wastewater by bioelectrochemical system［J］. Industrial Water Treatment，2020，40（10）：1-7. URL
19	HUA Tao， LI Shengnan， LI Fengxiang，et al. Microbial electrolysis cell as an emerging versatile technology：A review on its potential application，advance and challenge［J］. Journal of Chemical Technology & Biotechnology，2019，94（6）：1697-1711. doi:10.1002/jctb.5898
20	LOGAN B E， RABAEY K. Conversion of wastes into bioelectricity and chemicals by using microbial electrochemical technologies［J］. Science，2012，337（6095）：686-690. doi:10.1126/science.1217412
21	张璐路. 直流电场强化活性污泥法处理木质素废水研究［D］. 南京：南京大学，2018.
	ZHANG Lulu. Study on lignin wastewater treatment by direct current enhanced activated sludge approach［D］. Nanjing：Nanjing University，2018.
22	MOSTAFA A，IM S， LEE M K，et al. Enhanced anaerobic digestion of phenol via electrical energy input［J］. Chemical Engineering Journal，2020，389：124501. doi:10.1016/j.cej.2020.124501
23	席尚东，高磊，刘文宗，等. 利用生活污水提升厌氧-生物电化学耦合系统处理染料废水的效能及关键功能微生物研究［J］. 环境科学学报，2019，39（2）：290-300.
	XI Shangdong， GAO Lei， LIU Wenzong，et al. Domestic sewage enhancing azo dye wastewater treatment in anaerobic digestion-bioelectrochemical system and functional microbial community analysis［J］. Acta Scientiae Circumstantiae，2019，39（2）：290-300.
24	XU Yingfeng， GE Zhipeng， ZHANG Xueqin，et al. Validation of effective roles of non-electroactive microbes on recalcitrant contaminant degradation in bioelectrochemical systems［J］. Environmental Pollution，2019，249：794-800. doi:10.1016/j.envpol.2019.03.036
25	WANG Dexin， HAN Hongjun， HAN Yuxing，et al. Enhanced treatment of Fischer-Tropsch（F-T） wastewater using the up-flow anaerobic sludge blanket coupled with bioelectrochemical system：Effect of electric field［J］. Bioresource Technology，2017，232：18-26. doi:10.1016/j.biortech.2017.02.010
26	ZHANG Jingli， CAO Zhanping， ZHANG Hongwei，et al. Degradation characteristics of 2，4-dichlorophenoxyacetic acid in electro-biological system［J］. Journal of Hazardous Materials，2013，262：137-142. doi:10.1016/j.jhazmat.2013.08.038
27	卢昕悦，张德龙，赵泉林，等. 厌氧生物耦合技术强化硝基芳烃降解的研究进展［J］. 工业水处理，2021，41（6）：156-166. doi:10.11894/iwt.2020-0644
	LU Xinyue， ZHANG Delong， ZHAO Quanlin，et al. Research progress on the integrated coupling technology of anaerobic biological process for the enhanced biodegradation of nitro-aromatic compounds［J］. Industrial Water Treatment，2021，41（6）：156-166. doi:10.11894/iwt.2020-0644
28	曹占平，李岚，武鑫霞，等. 4-氯硝基苯的电辅助微生物转化机制［J］. 天津工业大学学报，2020，39（3）：48-53. doi:10.3969/j.issn.1671-024x.2020.03.008
	CAO Zhanping， LI Lan， WU Xinxia，et al. Electric-assisted microbial transformation process and mechanism of 4-chloronitrobenzene［J］. Journal of Tiangong University，2020，39（3）：48-53. doi:10.3969/j.issn.1671-024x.2020.03.008
29	BAGCHI S， BEHERA M. Methanogenesis suppression and increased power generation in microbial fuel cell during treatment of chloroform containing wastewater［J］. Process Safety and Environmental Protection，2021，148：249-255. doi:10.1016/j.psep.2020.10.009
30	刘海波，龙宪钢，许坤德，等. 电压和电流对连续电化学厌氧消化的影响［J］. 应用化工，2021，50（8）：2098-2101，2107. doi:10.3969/j.issn.1671-3206.2021.08.015
	LIU Haibo， LONG Xiangang， XU Kunde，et al. Effects of voltage and current on electrochemical anaerobic digestion［J］. Applied Chemical Industry，2021，50（8）：2098-2101，2107. doi:10.3969/j.issn.1671-3206.2021.08.015
31	刘海波，龙宪钢，许坤德，等. 底物浓度和水力滞留时间对电化学厌氧消化的影响［J］. 现代化工，2021，41（7）：149-152.
	LIU Haibo， LONG Xiangang， XU Kunde，et al. Influence of substrate concentration and hydraulic retention time on electrochemical anaerobic digestion［J］. Modern Chemical Industry，2021，41（7）：149-152.
32	王海曼，曲有鹏，何伟华，等. 连续搅拌微生物电化学系统处理高浓度模拟废水的效能［J］. 哈尔滨工业大学学报，2017，49（8）：42-48. doi:10.11918/j.issn.0367-6234.201607006
	WANG Haiman， QU Youpeng， HE Weihua，et al. Performance of a continuous stirred microbial electrochemical reactor treating high-strength artificial wastewater［J］. Journal of Harbin Institute of Technology，2017，49（8）：42-48. doi:10.11918/j.issn.0367-6234.201607006
33	杨强，黄冬根，郭涛，等. 完全混合式厌氧生物电化学系统处理2，4-二氯苯酚废水［J］. 南昌大学学报（理科版），2020，44（4）：375-379.
	YANG Qiang， HUANG Donggen， GUO Tao，et al. Treatment of 2，4-dichlorophenol wastewater by completely mixed anaerobic bioelectrochemical system［J］. Journal of Nanchang University（Natural Science），2020，44（4）：375-379.
34	CHEN Hui， LU Donghui， CHEN Linlin，et al. A study of the coupled bioelectrochemical system-upflow anaerobic sludge blanket for efficient transformation of 2，4-dichloronitrobenzene［J］. Environmental Science and Pollution Research International，2019，26（13）：13002-13013. doi:10.1007/s11356-019-04751-9
35	ROZENDAL R A， HAMELERS H V M， RABAEY K，et al. Towards practical implementation of bioelectrochemical wastewater treatment［J］. Trends in Biotechnology，2008，26（8）：450-459. doi:10.1016/j.tibtech.2008.04.008
36	ARENAS C， SOTRES A， ALONSO R M，et al. Pyrolysed almond shells used as electrodes in microbial electrolysis cell［J］. Biomass Conversion and Biorefinery，2022，12（2）：313-321. doi:10.1007/s13399-020-00664-7
37	JI Xiaoyu， LIU Xue， YANG Wulin，et al. Sustainable phosphorus recovery from wastewater and fertilizer production in microbial electrolysis cells using the biochar-based cathode［J］. Science of the Total Environment，2022，807：150881. doi:10.1016/j.scitotenv.2021.150881
38	ZHANG Shaojun， TONG Wei， WANG Mingyu. Graphene-modified biochar anode on the electrical performance of MFC［J］. Ferroelectrics，2021，578（1）：1-14. doi:10.1080/00150193.2021.1902759
39	邓丽芳，董格，蔡茜茜，等. 百香果内膜生物炭作为微生物燃料电池阴极催化剂的产电性能研究［J］. 燃料化学学报，2018，46（1）：120-128. doi:10.3969/j.issn.0253-2409.2018.01.015
	DENG Lifang， DONG Ge， CAI Xixi，et al. Biochar derived from the inner membrane of passion fruit as cathode catalyst of microbial fuel cells in neutral solution［J］. Journal of Fuel Chemistry and Technology，2018，46（1）：120-128. doi:10.3969/j.issn.0253-2409.2018.01.015
40	吴娜娜，郑璐，李亚峰. 三维电极法处理有机废水的研究进展［J］. 工业水处理，2016，36（8）：11-15. doi:10.11894/1005-829x.2016.36(8).011
	WU Nana， ZHENG Lu， LI Yafeng. Research progress in the treatment of organic wastewater by the three-dimensional electrode method［J］. Industrial Water Treatment，2016，36（8）：11-15. doi:10.11894/1005-829x.2016.36(8).011
41	张轩，宋小三，王三反. 电化学三维电极技术处理废水的研究与应用进展［J］. 应用化工，2021，50（2）：532-535. doi:10.3969/j.issn.1671-3206.2021.02.054
	ZHANG Xuan， SONG Xiaosan， WANG Sanfan. Research and application of electrochemical three-dimensional electrode technology in wastewater treatment［J］. Applied Chemical Industry，2021，50（2）：532-535. doi:10.3969/j.issn.1671-3206.2021.02.054
42	REN Guoping， HU Andong， HUANG Shaofu，et al. Graphite-assisted electro-fermentation methanogenesis：Spectroelectrochemical and microbial community analyses of cathode biofilms［J］. Bioresource Technology，2018，269：74-80. doi:10.1016/j.biortech.2018.08.078
43	YIN Changkai， SHEN Yanwen， YUAN Rongxue，et al. Sludge-based biochar-assisted thermophilic anaerobic digestion of waste-activated sludge in microbial electrolysis cell for methane production［J］. Bioresource Technology，2019，284：315-324. doi:10.1016/j.biortech.2019.03.146
44	GUO Yating， RENE E R， HAN Bingyi，et al. Enhanced fluoroglucocorticoid removal from groundwater in a bio-electrochemical system with polyaniline-loaded activated carbon three-dimensional electrodes：Performance and mechanisms［J］. Journal of Hazardous Materials，2021，416：126197. doi:10.1016/j.jhazmat.2021.126197
45	YIN Tao， ZHANG Hui， YANG Guoqiang，et al. Polyaniline composite TiO₂ nanosheets modified carbon paper electrode as a high performance bioanode for microbial fuel cells［J］. Synthetic Metals，2019，252：8-14. doi:10.1016/j.synthmet.2019.03.027
46	DONG Jun， WU Yue， WANG Chengye，et al. Three-dimensional electrodes enhance electricity generation and nitrogen removal of microbial fuel cells［J］. Bioprocess and Biosystems Engineering，2020，43（12）：2165-2174. doi:10.1007/s00449-020-02402-9
47	LIU Yang， WU Zhenyu， PENG Pin，et al. A pilot-scale three-dimensional electrochemical reactor combined with anaerobic-anoxic-oxic system for advanced treatment of coking wastewater［J］. Journal of Environmental Management，2020，258：110021. doi:10.1016/j.jenvman.2019.110021
48	WU Zhenyu， LIU Yang， WANG Siyuan，et al. A novel integrated system of three-dimensional electrochemical reactors（3DERs） and three-dimensional biofilm electrode reactors（3DBERs） for coking wastewater treatment［J］. Bioresource Technology，2019，284：222-230. doi:10.1016/j.biortech.2019.03.123

[1]	赵帆, 龚茜, 韩严和, 郭智, 季华, 马雪姣. EGSB-SBR-臭氧氧化组合工艺处理石化工业废水的研究[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 129-136.
[2]	杨伟球, 史广宇. 锂电池生产废水处理工程设计和运行实例[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 206-211.
[3]	范存文, 郭佩洁, 胡予佳, 刘新福, 邱清荣, 苏昊, 张大超. 离子型稀土矿山氨氮废水生物脱氮技术研究进展[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 9-16.
[4]	李亚峰, 伍健伯, 张驰. 厌氧氨氧化颗粒污泥形成的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(9): 23-30.
[5]	谷立坤, 郝建新, 岳金葳, 许贺铭, 曹冬辉, 李奕潮, 彭赵旭, 张建云. 垃圾发电厂渗滤液厌氧反应器启动污泥适应性研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(9): 75-84.
[6]	邓玉坤. 短程反硝化工艺对稀土矿山废水处理的中试研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 149-155.
[7]	谢健强, 张建美, 吕钰楠, 雷抗. 短程反硝化用于污水脱氮的机制、影响因素和工艺研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(7): 19-28.
[8]	陈浩, 杨玉婷, 刘文如, 沈耀良. 一体式短程反硝化-厌氧氨氧化工艺研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(5): 14-23.
[9]	潘伟亮, 谭秀晴, 欧阳荭霖, 颜山脊. 生物炭强化厌氧膜生物反应器处理废水性能的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(4): 38-45.
[10]	于雅楠, 张潇, 岳秀萍, 赵博玮, 周爱娟, 崔颖, 邢剑波. 不同粒径零价铁对微氧脱氮系统的影响[J]. 工业水处理, 2024, 44(4): 84-97.
[11]	骆子琛, 李星燃, 王建芳. 有机物对ANAMMOX性能及微生物影响的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(2): 39-47.
[12]	车冬妮, 张利强, 张铭慧, 刘永霞, 李宁. 矿区餐厨垃圾厌氧发酵液作为污水处理厂碳源研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(12): 147-152.
[13]	罗佳欣, 张大超, 苏昊, 张润环. 厌氧氨氧化菌固定化技术及其研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(11): 35-41.
[14]	杨伟球, 史广宇. 光伏企业生产废水处理工程实例[J]. 工业水处理, 2024, 44(11): 172-176.
[15]	顾晓扬, 汪晓军, 陈振国. 老龄垃圾渗滤液厌氧氨氧化处理工程运行效能分析[J]. 工业水处理, 2024, 44(11): 182-187.

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