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科研动态

污水处理及资源化团队在膜—生物电化学耦合工艺研究方面取得新进展

时间:2020-09-09 09:19:21  作者:  点击:

微生物燃料电池是一种新型的水处理与资源回收相结合的生物电化学技术Bioelectrochemical SystemBES,该技术通过产电微生物代谢底物产生电子、质子和二氧化碳,并将电子传递到阳极,然后电子通过外电路流向阴极,氧化剂(如氧气)在阴极得到电子而被还原,从而形成回路,产生电流,质子通过离子交换膜由阳极到达阴极。正渗透膜生物反应器Osmosis Membrane BioreactorOMBR是集正渗透膜的截留作用和活性污泥的降解作用于一体的污水处理系统,通过正渗透从废水中获得优质出水具有污水回用率高、膜污染速率低,能耗低等优点。然而,反向溶质扩散所引起的盐累积、浓差极化、膜污染是导致正渗透FO)连续长期运行后效能下降3主要因素如果能将生物电化学方法所产生的微电流原位地应用于OMBR来缓解膜污染、强化脱氮、强化微污染物去除,以及缓解正渗透膜的原料液侧的盐累积等问题将会是污水处理领域一个新的研究热点。

近期,我院污水处理及资源化团队宋海亮教授,杨玉立博士等人与美国华盛顿大学圣路易斯分校的贺震教授团队合作,对生物电化学耦合正渗透膜生物反应器中的新型汲取液进行探究。该研究采用一种常见的聚合电解质溶液(聚丙烯酸钠,PAA-Na)作为汲取液。结果表明该汲取液与常用汲取液NaCl相比,可以有效地降低盐反渗透(RSF);其反渗过来的PAA也可以有效地被厌氧微生物降解,反渗过来的钠离子可以在BES所产生的电驱动的作用下有效地迁移至阴极。除此以外,PAA-Na汲取液是一种pH感应汲取液,可以低成本回收与回用。因此PAA-Na汲取液可以作为一种经济有效的汲取液。研究结果发表在工程技术领域的一区TOP期刊(中科院SCI期刊分区Bioresource Technology上,全文链接https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122352

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1 PAA-Na汲取液在生物电化学耦合正渗透膜生物反应器中回收与回用的示意图

在此研究基础上,该团队进一步探究普通汲取液(酸性缓冲溶液、碱性缓冲溶液、有机溶液)在生物电化学耦合正渗透膜生物反应器中应用性能。研究发现,与常用汲取液NaCl相比,碱性缓冲汲取液可以有效地稳定反应器的pH,从而让产电细菌有个良好的生长环境,因此产电性能明显提升。除此以外,正是由于产电性能的提升,反应器中的盐累积在强化的电驱动作用力作用下有效地迁移至阴极,从而缓解盐累积,提高反应器性能。而酸性缓冲汲取液降低了反应器的pH,使得系统产电性能下降。但由于阴极的pH较高,酸性缓冲汲取液中的铵根离子转化成氨气,有效地降低阴极液的盐浓度,强化浓度梯度作用力所形成的盐累积的迁移,从而缓解盐累积。除此以外,阴极生成的氨气可以有效地回收成汲取液再利用。有机汲取液由于其有机成分的存在,可以有效的降低盐累积。然而,由于厌氧微生物的能力有效,过高浓度的有机成分的反渗会降低产电效率和COD去除率。研究结果发表在工程技术领域的一区TOP期刊(中科院SCI期刊分区Desalination上。全文链接https://doi.org/10.1016/j.desal.2020.114730

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2 缓冲汲取液和有机汲取液强化生物电化学耦合正渗透膜生物反应器性能的示意图

该团队还利用生物电化学耦合正渗透膜生物反应器强化脱氮。结果表明,与传统的正渗透膜生物反应器相比,废水中的氨氮可以有效地进行传统的硝化反硝化过程,从而有效地去除,微生物测序结果也验证了强化脱氮的机理。研究结果发表在国际水协IWA旗下主流期刊Water Science and Technology,全文链接https://doi.org/10.2166/wst.2020.184

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3 生物电化学耦合正渗透膜生物反应器强化脱氮的示意图

除此以外,该团队利用生物电化学耦合膜生物反应器强化低碳氮比市政废水中磺胺甲恶唑抗生素的去除。研究表明,与传统膜生物反应器相比,该耦合系统可以有效地降解磺胺甲恶唑。微生物测序结果表明其降解机理可能是与氨氮和有机物共代谢。根据6种降解的中间产物,推导出两个合理的降解途径。研究结果发表在工程技术领域的一区TOP期刊Bioresource Technology上,全文链接https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123029

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4 生物电化学耦合膜生物反应器强化低碳氮比市政废水中磺胺甲恶唑去除的示意图


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