微生物电化学技术对纺织印染废水处理策略探讨

摘要：文章旨在探讨微生物电化学技术（MET）在纺织印染废水处理中的应用。通过分析MET的分类及其在纺织印染废水处理中的具体应用案例，探究了MET技术在处理纺织印染废水中的效率和优势。研究认为，MET技术不仅能够高效去除纺织印染废水中的有机污染物，还能将废水中的有机污染物转化为生物质资源进行回收，展现出显著的环保优势，并且更加符合当前的废水处理需求。此外，MET技术在实际应用推广等方面仍面临诸多技术挑战，但其在可持续能源生产领域展现出良好的潜力，为可持续发展提供了一种新思路。

关键词：微生物电化学；废水处理；印染；低碳技术

0引言

水资源是生物生存的基础，但人类活动导致的能源消耗和碳排放加剧了水污染和资源枯竭问题。废水中的化学能潜力未充分利用，因此开发回收资源、低碳、可持续的新型废水处理技术成为主要趋势。纺织业废水处理问题复杂，每年排放的偶氮染料占总产量的10%-15%，含有多种污染物，对环境和健康构成威胁。纺织废水处理工艺复杂且成本高昂，传统技术效率低、成本高。微生物电化学废水处理技术在环保方面具有优势，尽管面临技术挑战，但因其有机物能源回收潜力，成为纺织印染废水处理的绿色技术之一。

1 微生物电化学技术概述

1.1微生物电化学技术

微生物电化学技术（MicrobialElectrochemicalTechnology，MET）是将有机物的生物降解与电信号刺激相结合，利用阳极极板附近微生物的氧化反应与阴极极板的还原反应，实现电子的传递，同时产生低电流，是一种环境友好型的废水处理新技术。该技术通过其电极表面的电活性微生物的催化作用，从底物中获取电子，并通过胞外电子转移将电子输送至电极表面，从而实现发电功能，是一种从废弃物中回收有价资源的新方法。这些电子介体（如黑色素、吩嗪、黄素及醌类物质等）将电子从细菌表面传递至电子受体表面，然后释放电子以实现电化学反应。

1.2 MET的分类

MET技术可在间歇式、分批式和连续式等多种操作模式下运行，主要可分为以下几类。

1.2.1微生物燃料电池

微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，MFC）技术作为微生物电化学系统中最常见的废水处理和发电功能方式，其在废水处理领域的应用逐渐显现出巨大潜力。在MFC技术中，废水中的有机物在阳极氧化过程中可以直接转化为电能，从而抵消了处理废水所需的能量消耗。在MFC技术中，生物阴极可在较低的曝气需求下，展现出优于传统活性污泥和好氧硝化过程的高效氮去除性能。此外，MFC技术在较低的温度和化学需氧量负荷下，仍能有效处理进水废水。

1.2.2微生物电解池

微生物电解池（MicrobialElectrolysisCell，MEC）是利用外部电能增强底物的分解并实现氢气回收（或其他化学物质，如甲烷）的技术。MEC技术的发电机制与MFC技术中阳极生物膜产电微生物的发电机制相同；然而，MEC技术的启动需要外电路提供微弱电压，从而促使电极阴极表面发生电子与质子的结合，进而产生氢气，为生物制氢提供了一种全新的途径。

1.2.3微生物脱盐电池

微生物脱盐电池（MicrobialDesalinationCell，MDC）是通过在阳极/阴极之间依次放置阴离子和阳离子交换膜，构建用于水脱盐的中间室。在阳极生物膜产生电流时，中间室中的离子向两个电极室转移，从而实现水的脱盐。MDC技术的发电机理与MFC技术相似。该技术开发于2009年，可达到90%的脱盐效率。

2 MET在纺织印染废水处理中的应用

纺织工业，特别是皮革制造业的废水中，常含有偶氮染料。偶氮染料含偶氮基团，可能产生有害物质。在厌氧条件下，偶氮基团的生物脱色反应慢，需电子供体维持还原环境。微生物燃料电池（MFC）技术能直接处理含染料废水并产生电能，备受关注。在厌氧环境中，单室和双室MFC的共同代谢是偶氮染料去除的主要机制，生物电能产生和偶氮染料还原依赖共底物氧化，这两个过程相互竞争并利用共底物氧化过程中释放的电子，影响电化学活性细菌的资源分配。反应动力学显示，MFC技术比传统技术更有利于偶氮染料的快速还原降解。多种因素，如染料浓度、结构、MFC特性等，影响MFC性能。

2.1单室MFC技术

单室MFC技术是纺织印染废水微生物电化学处理中最常见的技术之一。在单室MFC技术中，利用染料中普遍存在的偶氮还原酶对偶氮染料进行还原，涉及四个电子（还原当量）的转移。具体过程可分为两个阶段，涉及偶氮键，在每个阶段向偶氮染料转移两个电子。另一个是在阴极对染料进行还原，该过程由不完全的氧化还原反应所产生的过氧化氢所触发。在处理染料AO5的单室MFC实例中，染料AO5的偶氮键位于磺酸基团（吸电子基团）的对位苯基位置。在氧化还原反应中，电子从染料化合物中被提取。电子通过带有还原菌的生物膜在乙酸氧化过程中产生，并通过其呼吸链传递到生物膜支撑物，进而参与阴极的氧化还原反应。与此同时，偶氮键在生物阳极中通过消耗底物氧化释放的电子进行副反应裂解，偶氮染料作为竞争性电子受体，其降解得以促进。单室MFC技术操作简便、结构简单，已在全球范围内得到广泛推广。该技术产生较少的剩余污泥和较低的能耗，且能够产生更高的功率输出、维护简便，可为纺织印染废水处理提供清洁和可再生能源的发展途径。

2.2双室MFC技术

针对偶氮染料处理实现充分生物降解的最佳方法可以是运行一个集成的双阶段厌氧—好氧处理过程。阳极表面的微生物作为生物催化剂，能够降低过电位并提高电子向阴极转移的速率，从而使偶氮化合物在阴极室中得以还原。利用双室MFC技术，有利于实现生物催化剂的优化。双室MFC结合二氧化钛纳米阴极可处理活性红30的纺织印染废水，并进行发电。二氧化钛纳米阴极的光催化作用加速了光电极还原过程中的电子转移，从而显著增强了偶氮染料活性红30的还原过程及电流的生成。活性红30的偶氮键可被光照产生的光电子裂解，最大降解率可达78.1%。同时，MFC产生的电力可进一步增强活性红30溶液的还原脱色效果。在还原过程中生成的电子以及从阳极转移的过量电子，共同参与了有机污染物的还原过程，进而实现了活性红30脱色。利用可持续且具有成本效益的有机共底物，这种双室电解池有望作为一种更安全、更清洁的微生物燃料电池，未来能够同时处理染料废水并进行发电，成为处理含偶氮染料废水的最佳方案。

2.3 组合MFC技术

MFC技术常与其他技术结合，有效去除纺织印染废水中化学需氧量和色度。例如，混合厌氧消化生物反应器结合内置生物电化学系统处理偶氮染料废水，显著改善出水水质。联合MFC和光电催化电池系统处理偶氮染料废水，促进化学需氧量去除和染料脱色。单室微生物燃料电池-好氧生物反应器系统采用醋酸处理含酸性蓝29的纺织废水，偶氮染料生物降解始于偶氮键裂解，转化为低污染产物。人工湿地-微生物电化学系统对甲基橙染料脱色率87.6%，降解率96.33%。三维生物电化学反应器—微生物燃料电池系统处理活性艳红X-3B废水，生物膜电极反应器通过微电流刺激微生物新陈代谢，加速有机污染物降解，脱色率超96%，效果优于传统系统。预处理步骤可显著提升染料废水可生化性，无膜MFC系统成本低，为难处理废水提供新方案。

3 结语

微生物电化学系统结合废水处理与电能转化，实现能量自我补给和提升处理效率。实验室研究显示，该系统在纺织印染废水处理中效果显著，展现出高效处理和低碳排放的优势。尽管面临电极材料优化、微生物培养等技术挑战，微生物电化学技术在可持续能源生产领域仍具潜力，为可持续发展提供新思路。随着技术进步，其在纺织印染废水处理的应用前景将更加广阔。