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生物电化学系统的应用研究进展

资源节约与环保 2024年第3期 39-45页

作者：张巍巍盐城市清水绿岸净水集团有限公司江苏盐城224051

生物电化学系统(Bioelectroch Emical System,BES)作为一类污染处理技术,因其在处理污染物的同时能实现资源的回收利用而备受青睐。能充分发挥BES与各类传统污染物处理系统相结合的优势的处理技术正是近年来的热点话题。本文重点讨论了... 详细信息

生物电化学系统(Bioelectroch Emical System,BES)作为一类污染处理技术,因其在处理污染物的同时能实现资源的回收利用而备受青睐。能充分发挥BES与各类传统污染物处理系统相结合的优势的处理技术正是近年来的热点话题。本文重点讨论了BES在处理多环芳烃、多氯联苯等难降解有机物时的应用效果及BES与多种污染治理技术相耦合的工艺优势。

关键词：生物电化学耦合工艺工作电极运行环境强化处理

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生物电化学

现代化工 1994年第10期14卷 11-15页

作者：孙颖孙家寿中国科学技术大学武汉化工学院

生物电化学即运用电化学的技术、原理和理论来研究生物学事件。本文对生物电化学的研究范围及其在生物伽伐尼电池、生物燃料电池、传感器电极、膜电位等领域中的应用作了简单介绍。

关键词：生物电化学生物传感器电化学生物学

铁基生物炭联合生物电化学原位修复Pb-多环芳烃复合污染底泥的效果与机理

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生态学杂志 2023年第2期42卷 504-512页

作者：吴云鹏曾庆军陈平山欧阳晓芳胡继业冯春华孙健中交四航局第七工程有限公司广州510230 中交四航工程研究院有限公司广州510230 中交交通基础工程环保与安全重点实验室广州510230 华南理工大学环境与能源学院广州510006 广东工业大学环境科学与工程学院广州510006

城市河道及附近水体底泥是重金属和持久性有机污染物的重要汇集地。本研究以Pb-菲复合污染底泥为对象,探索铁基生物炭联合微生物电化学技术对底泥的原位修复效果与机理。结果表明,通过浸渍烘干法制备的铁基生物炭表面铁以Fe_(3)O_(4)和... 详细信息

城市河道及附近水体底泥是重金属和持久性有机污染物的重要汇集地。本研究以Pb-菲复合污染底泥为对象,探索铁基生物炭联合微生物电化学技术对底泥的原位修复效果与机理。结果表明,通过浸渍烘干法制备的铁基生物炭表面铁以Fe_(3)O_(4)和γ-Fe_(2)O_(3)为主,具有磁性。铁基生物炭联合生物电化学(0.2 V)使底泥中菲的去除速率提高6.75倍,主要原因在于阳极可作为电子受体强化底泥中菲的共代谢降解,额外投加葡萄糖加速了底泥菲的生物电化学降解,导致菲的去除速率增大1.09倍。同时,阳极生物电化学过程降低了底泥pH,促进了底泥Pb向弱酸可溶态转化,在电场力作用下向阴极迁移并转化为残渣态。高通量测序结果表明,铁基生物炭联合生物电化学促进了底泥中Tissierella、Erysipelotrichaceae和Pseudomonas三类细菌的生长,导致了菲的生物电化学强化降解及Pb活化。

关键词：铁基生物炭生物电化学多环芳烃重金属强化去除

生物电化学强化人工湿地去除抗生素的后效应及抗性基因的转移机制研究

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生物电化学强化人工湿地去除抗生素的后效应及抗性基因的转移机制...

作者：邹涛海南热带海洋学院

学位级别：硕士

抗生素压力解除后,生物电化学系统的强化作用可能导致人工湿地成为抗性基因的蓄积库,严重威胁水生态安全。因此,我们搭建了生物电化学强化型人工湿地(Microbial electrochemical constructed wetland,MES-CW),探明了抗生素抗性基因(Anti... 详细信息

抗生素压力解除后,生物电化学系统的强化作用可能导致人工湿地成为抗性基因的蓄积库,严重威胁水生态安全。因此,我们搭建了生物电化学强化型人工湿地(Microbial electrochemical constructed wetland,MES-CW),探明了抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)在不同抗生素选择性压力下的多介质赋存特征;辨识了MES-CW中抗性基因转移的关键驱动因子,揭示了抗生素压力解除后系统中抗性基因的转移机制,为生物电化学强化人工湿地更安全的净化含抗生素污水提供重要的支撑作用。主要结论如下:首先,我们发现生物电化学技术提高了人工湿地对氮磷和磺胺甲恶唑(Sulfamethoxazole,SMX)的去除效果。相比CW,MES-CW在不同浓度SMX下对氨氮、硝态氮、磷酸盐和SMX的去除率分别提升了0.1﹣26.98%、22.23﹣53.24%、2.24﹣28.89%、8.34﹣11.30%。SMX压力解除后,电化学技术提高了人工湿地系统中ARGs的总丰度,出现了负后效应,且随着SMX浓度的降低,MES-CW水样中ARGs的总丰度一直高于基质。在水样中,随着SMX浓度的降低耐多药抗性基因和磺胺类抗性基是人工湿地中主要类型的ARGs。当SMX压力解除后相比0.1 mg/L,MES-CW中ARGs的总丰度上升36.1%;耐多药抗性基因及其亚型的相对丰度上升69.2-292.5%,磺胺类ARGs及其亚型的相对丰度上升83.5-116.3%,电化学加剧了水样中ARGs的负后效应(ARGs的总丰度相比CW上升了95.42%,磺胺类ARGs及sul1的相对丰度上升126.3-148.7%)。在基质中,随着SMX浓度的降低,MES-CW基质中ARGs的总丰度呈下降趋势。当SMX压力解除后相比0.1mg/L,MES-CW中ARGs总丰度上升了33.62%,其中磺胺类ARGs的相对丰度升了41.6%,sul1、sul2和sul4的相对丰度上升了100-126%;耐多药抗性基因及其亚型的相对丰度上升106.7-195.2%,基质同样出现了负后效应现象,但程度小于水样。不同SMX压力下,驱动人工湿地系统中抗性基因赋存特征的关键因子发生了明显变化。高浓度SMX下,SMX的选择压力和厚壁菌门的丰度是影响ARGs转移的关键驱动因子;低浓度SMX下,硝态氮浓度和变形菌门的丰度是影响ARGs转移的关键驱动因子。采用电压调控(电压由0.6V升高到10V)削减SMX压力解除后出现的负后效应,发现高电压削减水样中ARGs的总丰度达到80.7%,同时高电压显著降低了优势ARGs耐多药和磺胺类ARGs的相对丰度。当SMX压力解除后,电化学技术主要通过促进耐药菌增殖增加ARGs的总丰度。从ARGs的关键宿主菌来看,当SMX压力解除后,水样中ARGs的宿主(解鸟氨酸克雷伯氏菌)相比0.1 mg/L时上升了300%;而基质中主要是因为宿主种类的增多,相比10和0.1 mg/L增加了4和3种宿主。而且,我们发现,SMX压力解除后,水样中整合酶和重组酶、基质中整合酶的相对丰度提高了2–9%,但ARGs与可移动原件(Mobile genetic element,MGEs)的结合比例的在SMX压力解除后显著降低,这表明SMX压力解除后,耐药菌的增值是负效应出现的主要原因。另外,基质生物膜中ROS的含量与ARGs的变化有一定的同步性,低浓度的ROS可以在信号转导中发挥作用,刺激新陈代谢,从而增加微生物的活性和丰富度。

关键词：生物电化学磺胺甲恶唑抗生素抗性基因赋存特征转移特征

生物电化学强化的正渗透膜生物反应器运行效能研究

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生物电化学强化的正渗透膜生物反应器运行效能研究

作者：曹腾良河北大学

学位级别：硕士

随着人口数量的持续增加和城市化进程的加速,我国污水的排放量不断增加,目前的传统污水处理技术存在碳氮磷同步去除效果不佳、污水资源化能源化程度低以及能源消耗高等问题,对此本课题将为生物燃料电池与低能耗的正渗透膜生物反应器结... 详细信息

随着人口数量的持续增加和城市化进程的加速,我国污水的排放量不断增加,目前的传统污水处理技术存在碳氮磷同步去除效果不佳、污水资源化能源化程度低以及能源消耗高等问题,对此本课题将为生物燃料电池与低能耗的正渗透膜生物反应器结合创新构建了一种基于生物电化学强化的正渗透膜生物反应器(E-FOMBR)系统,以实现污水中碳氮磷污染物的强化去除、资源同步回收和膜污染原位控制。本课题主要分析了E-FOMBR系统的电化学性能、污水处理效能和微生物菌群结构变化情况,解析了E-FOMBR系统中低电场作用对活性污泥性质的影响,考察了E-FOMBR系统的膜污染状况。E-FOMBR系统电化学性能研究表明:接种期间,E-FOMBR系统在外电阻为1kΩ时稳定输出电压为0.6V左右。实验运行期间,E-FOMBR系统在外电阻为10Ω时的稳定输出电压为0.041V,交换电流密度可以保持在0.118A/m以上,库伦效率能达到6.52%。与阳离子交换膜相比,E-FOMBR系统在使用阴离子交换膜时的电流交换密度提高了12.28%。与开路的对照系统(C-FOMBR)相比,E-FOMBR系统阳极室化学需氧量(COD)降解速率提高了18.0%。E-FOMBR系统污水处理效果及微生物菌群结构分析表明:与C-FOMBR相比,E-FOMBR系统阳极室中总有机碳(TOC)、氨氮(NH-N)、总氮(TN)降解速率分别提高了18.19%、29.09%和30.61%。E-FOMBR系统曝气池中TOC、NH-N和TN的降解速率分别提高了27.27%、20.0%和14.06%。E-FOMBR系统中污泥以葡萄糖和氯化铵为底物时的比耗氧速率比C-FOMBR分别提高了12.35%和23.40%,表明低电场作用有效提高了污泥的有机物和氨氮的降解活性。通过对系统曝气池内微生物菌群分析发现,E-FOMBR系统中活性污泥微生物物种多样性以及有机物降解功能菌和氨氧化菌丰度较高。E-FOMBR系统中污泥性质和膜污染情况研究表明:与C-FOMBR相比,E-FOMBR系统污泥浓度和污泥活性较高,污泥的Zeta电位绝对值降低,污泥絮体表面疏水性减弱。同时污泥粘聚自由能降低,污泥聚集性减弱,导致污泥絮体平均粒径减小,但是粒径均匀性提高。此外,E-FOMBR系统中污染后的膜总阻力、泥饼层阻力和膜孔阻力分别降低了9.94%、23.25%和18.52%,同时,膜表面污染物结构疏松且量少,污染膜表面粗糙度有效降低,这表明E-FOMBR系统中膜污染得到了有效控制。综上,E-FOMBR系统能够实现污水中碳氮磷污染物的强化去除、资源同步回收以及膜污染的有效控制,为污水高效处理与资源化提供了新的处理工艺和技术基础。

关键词：正渗透膜生物反应器生物电化学污水处理污泥性质微生物菌群

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生物添加强化生物电化学去除三氯乙烯的研究

环境科学与技术 2022年第9期45卷 26-31页

作者：吴畏曹铭芮李梦慧宋天顺谢婧婧南京环境集团有限公司江苏南京210026 南京工业大学生物与制药工程学院江苏南京211816

文章将三氯乙烯降解菌(TCE)投加到沉积型微生物燃料电池(SMFC)中,考察其对土壤中TCE的降解作用。实验结果表明,在有降解菌的SMFC下,其产生的电压最高,TCE的去除率最高,达到73.91%,其降解速率是单独SMFC的1.2倍,且其对土壤中的有机质去... 详细信息

文章将三氯乙烯降解菌(TCE)投加到沉积型微生物燃料电池(SMFC)中,考察其对土壤中TCE的降解作用。实验结果表明,在有降解菌的SMFC下,其产生的电压最高,TCE的去除率最高,达到73.91%,其降解速率是单独SMFC的1.2倍,且其对土壤中的有机质去除也是最多。阳极微生物菌群分析结果表明,生物添加SMFC的实验组刺激了Pseudomonas和Geobacter的富集,从而提高了SMFC阳极电化学活性。在90 d反应结束后,通过种植黑麦草对土壤毒性进行分析,结果发现生物添加SMFC的实验组的发芽率、根长、株高都是最接近无污染土壤的,说明经生物添加强化SMFC后,大大降低土壤中TCE所带来的毒性。这为去除土壤中三氯乙烯提供了一种新的思路。

关键词：生物添加生物电化学三氯乙烯毒性土壤

气升式生物电化学苯系VOCs废气净化系统的构建及过程强化机制

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气升式生物电化学苯系VOCs废气净化系统的构建及过程强化机制

作者：李远铭浙江师范大学

学位级别：硕士

挥发性有机物(Volatile organic compounds,VOCs)作为环境空气中细颗粒物(PM)和臭氧(O)的重要前驱物,是我国大气复合型污染的重要诱因,特别是其中的甲苯、二甲苯生成O、SOA生成潜势均显著高于其它组分,因此治理苯系VOCs废气对大气质量... 详细信息

挥发性有机物(Volatile organic compounds,VOCs)作为环境空气中细颗粒物(PM)和臭氧(O)的重要前驱物,是我国大气复合型污染的重要诱因,特别是其中的甲苯、二甲苯生成O、SOA生成潜势均显著高于其它组分,因此治理苯系VOCs废气对大气质量控制与社会发展均具有重要意义。生物法能够绿色安全地实现苯系VOCs净化,同时具有碳排放量低的优势。然而微生物处理苯系VOCs时往往受到传质和降解速率不足的限制,导致停留时间过长和装置体积过大,不利于该技术的广泛应用。针对这一瓶颈问题,本论文耦合气升式反应器(Airlift reactor,ALR)的传质强化作用与生物电化学系统(Bioelectrochemial system,BES)的反应强化作用,构建气升式微生物电化学系统(AL-BES),研究苯系污染物的去除与矿化。将微生物电解池(Microbial electrolysis cell,MEC)与ALR耦合构建气升式微生物电解池(AL-MEC)体系,将育种好的苯系VOCs降解菌负载在使用聚吡咯修饰的套筒电极上,在2400 mg m的进气浓度条件下,邻二甲苯的去除效率最终稳定在81%。考察了不同工艺条件(外部电势,进气氧浓度,反应器停留时间)AL-MEC净化负荷的影响,在外加电势+0.3 V vs.SHE、氧浓度21%(v/v)、停留时间80 s时,邻二甲苯净化效率达到95%,并且最大净化负荷高达465.1 g m h,进气浓度3800 mg m时净化效率依旧稳定在75%左右。环境扫描电镜结果证实了微生物生长在聚吡咯微球表面,并观察了到丰富的纳米导线结构,证实了聚吡咯修饰的有效性。高通量测序结果表明,体系内主要优势降解菌为Novosphingobium sp.、Dokdonella sp.、Sphingopyxis sp.,主要电活性菌为Bacteroidia sp.。将BES转换为微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)模式,构建气升式微生物燃料电池(AL-MFC)体系并稳定运行。在AL-MEC相同的实验条件下,AL-MFC获得了更高的去除效率(98%),输出电压为0.549 V,邻二甲苯矿化率保持在70～80%之间。氧气浓度由10%提升至21%时,并未对输出电压造成明显的影响;外加碳源乙酸钠存在时,AL-MFC输出电压提升至0.606 V,但是邻二甲苯净化效果降低至74%。介体转化实验及循环伏安曲线证实,微生物与电极之间的电子传递以直接传递方式为主,并且细胞膜上Omc Z,Omc S,Omc A等色素蛋白参与了跨膜电子传递过程。进一步地,考察了AL-MFC对不同VOCs组分的净化效果,单一组分乙酸乙酯、甲苯、邻二甲苯废气的去除率分别稳定在99%、97%、95%;当三种组分混合时,乙酸乙酯的去除率未出现下降,而甲苯与邻二甲苯去除效率分别下降17%、3%,整体去除效果保持在90%以上,证实AL-MFC能稳定净化多组分VOCs废气。

关键词：生物电化学气升式苯系VOCs 电子传递过程强化

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生物电化学

世界科学 1985年第8期 16-18+33页

作者： G. Milazzo 王明胜常湘滨意大利罗马大学工程系化学研究所教授

生物电化学可以定义为一门应用电化学及实验方法研究生物现象的边缘分支学科。以下领域的几个例子可以具体说明以上定义的生物电化学概念:生物体内的氧还代谢反应(为生物体提供能量)、半导体、生物膜功能及其物质传输、远非平衡条件下... 详细信息

生物电化学可以定义为一门应用电化学及实验方法研究生物现象的边缘分支学科。以下领域的几个例子可以具体说明以上定义的生物电化学概念:生物体内的氧还代谢反应(为生物体提供能量)、半导体、生物膜功能及其物质传输、远非平衡条件下的力能学、信息沿组织结构的传递、光合成、视觉、电磁场对活组织生长及修复的作用等。

关键词：生物电化学领域光合成光化学反应生物膜

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生物电化学传感器在有机物监测中的研究进展

资源节约与环保 2023年第8期 43-47,61页

作者：方降龙裴志海孔殿超张强安徽环境科技集团股份有限公司安徽合肥230088 合肥工业大学安徽合肥230088

生物电化学传感器是近些年兴起的生物传感器系统,这种传感器可将有机物所产生的电响应转化为电信号进行定量分析,具有低成本、易携带、高灵敏度等优点,有利于进行水质的连续原位实时监测。本文主要讲述了生物电化学传感器的原理、类别,... 详细信息

生物电化学传感器是近些年兴起的生物传感器系统,这种传感器可将有机物所产生的电响应转化为电信号进行定量分析,具有低成本、易携带、高灵敏度等优点,有利于进行水质的连续原位实时监测。本文主要讲述了生物电化学传感器的原理、类别,重点综述其在多场景条件下监测技术的研究进展、典型应用案例和发展趋势,最后对其未来的探索进行展望。希望为生产低成本高效能的生物电化学传感器提供理论基础,为推动有机污染预警技术的快速发展提供思路。

关键词：生物电化学传感器有机物监测多场景