摘要：为深入探讨生物电化学技术在废水处理领域的具体应用，基于生物电化学系统（BES）的基本原理，对比了生物电化学技术与其他废水处理技术的处理效果，并总结了影响生物电化学处理效果的关键因素。研究表明，生物电化学技术在处理有机废水、重金属废水和染料废水等方面具有显著优势。未来，应从开发高效的电极材料、优化系统运行条件和降低成本等方面进行深入研究，提供更加高效、环保的解决方案。

　　关键词：生物电化学技术；电极材料；工艺参数；工业废水

　　0引言

　　生物电化学技术是将生物处理与电化学处理相结合的一种新型废水处理技术。该技术利用微生物的代谢活动产生电能，同时，通过电化学反应去除废水中的污染物。生物电化学技术主要包括微生物燃料电池(MFC)、微生物电解池(MEC)和生物电芬顿系统(BEF)等。本文主要针对生物电化学技术在废水处理领域的应用研究进行综述。

　　1生物电化学系统的基本原理

　　生物电化学系统(BES)技术是一种将微生物的代谢功能与电化学效应巧妙融合的创新技术，微生物燃料电池(MFC)是生物电化学系统中的核心组件之一，通过电极上的生物膜，将有机物的化学能直接转换为电能。有机物在生物膜上被微生物氧化分解，产生电子和质子。电子通过外电路流向阴极，形成电流。质子通过质子交换膜(PEM)从阳极流向阴极，维持电中性。MEC是生物电化学系统的另一个关键组件，通过电解质溶液中的微生物，将电能转化为化学能，如图1所示。电能通过外电路流向阳极，使阳极附近的微生物还原。还原的微生物将电子和质子传递给电解质溶液中的物质，形成还原产物。

　　与传统的生物处理技术相较，BES技术能够有效提升微生物酶的效能，加强其降解有机物的能力。同时，它还能提高微生物细胞膜的渗透性，便于环境中的营养物质更有效地被微生物吸收。此外，电解过程中产生的氢气和氧气可作为电子供体和受体，可有效降解难降解有机物，进而促进微生物增殖。在有机物分解过程中，BES技术通过阳极氧化和阴极还原等机制，将废水中的有害成分转化为毒性较低或无毒性物质，从而降低废水的有害性。

　　2生物电化学系统的主要影响因素

　　2.1电压

　　电压直接决定了系统中的电流密度，电流密度过高，可能导致电极材料过早劣化，甚至引发电极材料的腐蚀。反之，电流密度过低，则可能影响微生物的代谢活性，降低系统的处理效率。电压的高低影响电极表面的氧化还原反应速率，在适当的电压范围内，电极反应能够顺利进行，产生期望的产物。若电压过高，可能导致电极反应过度，生成不必要的副产物。电压过低，则可能使电极反应缓慢，影响系统的处理效率。BES技术在降解污染物时，最佳的电压区间通常位于0.6~0.8V之间。适当的电激励能够增强微生物细胞内三磷酸腺苷(ATP)的生成和酶的活性，进而促进微生物的生长速率和代谢能力，对有机物的生物降解过程能起到积极作用。

　　硫酸盐废水是工业生产中常见的废水类型之一。实验过程中，将硫酸盐废水与营养盐混合，接种微生物菌种，构建生物电化学系统。通过改变电压，观察电压对硫酸盐去除率、电流密度和微生物群落结构等因素的影响。实验结果表明，随着电压的升高，硫酸盐去除率逐渐提高。当电压从0.5V升高到1.5V时，硫酸盐去除率从40%提高到80%。这说明电压对硫酸盐的去除效果有昴著影响。随着电压的升高，电流密度逐渐增大。当电压从0.5V升高到1.5V时，电流密度从0.2A/m²提高到0.8 A/m²。这说明电压对电流密度有显著影响。当电压从0.5V升高到1.5V时，产硫酸盐还原菌(SRB)的丰度显著增加，而产硫化氢菌的丰度则显著降低。这说明电压对微生物群落结构有显著影响。电压是影响生物电化学系统处理硫酸盐废水效果的关键因素，适当提高电压，可以显著提高硫酸盐去除率、电流密度，并优化微生物群落结构，从而提高生物电化学系统的处理效果。

　　2.2电极材料

　　电极材料在BES中扮演着至关重要的角色，其性能直接关系到系统的电化学活性、电子传递效率以及整体性能。电极材料的比表面积和孔隙结构是影响其吸附和催化能力的关键因素。高比表面积和丰富的孔隙结构有利于微生物生物膜的形成和电子传递，从而提高系统的电化学活性。电极材料的电子传递速率直接影响BES的电流密度和功率输出。具有高电子传递速率的材料能够更快地传递电子，提高系统的能量产出。电极材料需要具备良好的化学稳定性和耐腐蚀性，以抵抗环境中的化学侵蚀和物理磨损，确保BES长期稳定运行。电极材料应具有良好的生物相容性，以减少对微生物的毒害作用，促进微生物生物膜的形成和生长。电极材料的成本和可获取性也是影响其应用范围的重要因素。低成本、易获取的材料更有利于BES的推广应用。电极材料的导电性是影响电子传递速率的关键因素。高导电性的材料有利于电子快速传递，提高系统的电化学活性。电极材料的催化活性对其在BES中的应用至关重要。具有高催化活性的材料能够加速电化学反应，提高系统的能量产出。电极材料需要具备良好的耐温性，以适应不同环境温度下的BES运行。

　　3生物电化学系统在废水处理领域的应用

　　生物电化学系统（BES）在废水处理领域的应用日益广泛，尤其在处理印染、焦化和制药等行业排放的废水方面表现出显著优势。随着研究的深入，BES技术已从关注水质基本达标排放，如化学需氧量（COD）、总氮等，逐步转向对酚类、硝基苯类和抗生素类等高毒性、难降解物质的深度去除。研究表明，在微电解过程中，与单独的活性污泥系统相比，BES技术能显著提升脱氮效率48％，并将反硝化效率提高6％。因此，BES技术在提高废水处理效果、降低污染物排放方面具有巨大潜力。

　　郭学飞[1]等采用二维电极增强活性污泥处理工业废水技术，研究了电压强度对化学需氧量（COD）去除率的影响。研究发现，在0.28～1.14 V/cm的电压范围内，生物电化学污泥处理系统能够有效提升对COD的降解能力。吴恒[2]等将电化学生物膜法与活性污泥系统相结合，成功应用于城市污水的处理。该系统对COD的去除率可达90.3％，显示出良好的处理效果。逯慧[3]利用BES技术对有机废水进行处理，进一步证明了生物电化学系统在废水处理领域的广泛应用潜力。随着研究的不断深入，生物电化学系统可为废水处理提供更加高效、环保的解决方案。实验结果显示，在施加电压低于1.6 V的条件下，2，4-二硝基氯苯的还原速度与电压成正比，这意味着在该电压范围内，电压的升高可以有效提高污染物的降解速率。然而，当电压超过1.6 V后，高电压对污染物降解效果产生了不利影响，因此，在实际应用中需合理控制电压水平，避免过高的电压损害系统性能。与传统的生物法相比，BES技术结合了生物降解和电化学降解的优点，能够在面对突发性污染负荷时，通过调节电压等参数，迅速调整系统对污染物的降解能力，提高废水处理的稳定性。在BES系统中，电化学环境为微生物提供了新的代谢途径，更多种类的电活性微生物参与到污染物降解过程，从而提高了废水处理效率。

　　此外，邢心语[4]等研究者对电极生物膜反应器与电化学反应器在去除制药废水中的四环素等污染物方面进行了比较研究。研究指出，电极生物膜反应器在去除三环素等污染物方面表现突出，通过增加生物膜中微生物对三环素的抗性基因（如sulI、sulII、sulII-I、tetA、tetC、tetO、tetQ和tetW）的丰度，可有效提升反应器的去除效果。这一发现证实了电极在生物电化学系统中不仅能够促进微生物的生长，而且能通过增强微生物对污染物的抗性，提高废水处理效率。电极生物膜反应器的应用为我国制药废水处理提供了新的技术途径，有助于解决制药废水中三环素等难降解有机污染物的处理难题。

　　4结论

　　生物电化学技术在废水处理领域具有广阔的应用前景。通过对MFC、MEC和BEF等技术进行深入研究，可以提高废水处理效率，降低处理成本，实现能源回收，减少能源消耗。实现重金属离子回收，减少环境污染，为解决我国日益严重的废水污染问题提供新的技术途径。

参考文献

　　[1]郭学飞.废水处理中生物电化学技术的应用研究[J].山西化工，2024，44（12）：129-131.

　　[2]吴恒，李佳芮，杨天宇，等.生物技术在有色冶金废水处理中的应用[J].中国有色冶金，2024，53（6）：144-151.

　　[3]逯慧.双金属催化材料耦合生物电化学系统处理有机废水[J].工业催化，2024，32（3）：86-92.

　　[4]邢心语，谭向东，王雪清，等.生物电化学技术在废水处理领域的研究[J].当代化工，2024，53（2）：464-467.