基于生物电化学原理的海水淡化与水中重金属去除耦合模式与调控

Environmental pollution especially frequent heavy metal pollution endangers the production of industry and agriculture and the security of drinking water. Although seawater desalination technology gains some improvement, high energy consumption restricts its application and enlargement. A new technology has been proposed in this investigation, which is application of bioelectrochemical systems (BESs) in the process of organic pollutant degradation, seawater desalination and heavy metal removal. Current is generated by bacteria on the anode from oxidizing organics and used to remove heavy metal in electrodialysis system. Seawater is desalinated by the electric field between anode and cathode. Hydroxyl generating in cathode chamber is used for depositing heavy metal. This system can achieve organic pollutant degradation, seawater desalination and heavy metal removal, but no external energy is consumed. This study focuses mainly on the technical bottlenecks of the BES-assisted seawater desalination and heavy metals removal, the construction of structural and functional optimized coupling processes, and thus the development of positive manipulating strategies. Moreover, the study aims to examine microbial community structure and succession, and uncover the mechanisms of electrophilic communities assembly. The work carried out in this research will create a theoretical basis and technical assistance to the development of low energy consumption of seawater desalination and wastewater treatment.

我国淡水资源短缺，加之环境污染特别是近年来频发的重金属污染问题严重影响了工农业生产和饮用水安全。虽然海水淡化技术取得了一定成果，但高能耗的问题仍制约其应用和推广。本研究提出了新的工艺思路：将生物电化学系统引入到海水淡化和重金属污染治理工艺中。利用阳极微生物催化降解废水中的有机污染物，在反应器内部产生电场推动脱盐室海水淡化，输出的电能驱动电渗析装置去除重金属离子，同时阴极室生成的氢氧根离子用于沉淀电渗析室出水中的重金属离子，实现零能耗同步有机污染物降解、海水淡化和重金属去除多重功效。本研究拟采用连续流运行模式，选取铜、铅、镉三种典型重金属离子为研究对象，探讨电催化污染物降解、海水淡化和重金属离子去除过程耦合的关键技术问题，优化工艺设计，建立定向的调控措施，并与微生物种群特性和生态系统功能相联系，解析产电微生物群落形成机制和演替规律，为开发低能耗海水淡化和污水处理新工艺提供科学依据和技术基础。

针对淡水资源短缺和重金属污染问题，本研究将生物电化学系统引入到海水淡化和重金属污染治理工艺中，开发了同步产电、海水淡化、有机污染物去除和海水淡化的新型水处理装置和工艺。经过三年的研究，开发了三种连续流串联微生物脱盐电化学系统，实现有机污染物降解、海水淡化和重金属离子同步去除，通过优化运行条件获得了最优的运行条件。消除了普通三室微生物脱盐燃料电池因阴阳极室pH不平衡导致性能下降的问题，有效提高了反应器的性能。通过反应器的串联运行，反应器的脱盐效率和污染物去除效率均得到提高。利用阴极产生的氢氧化钠对铜、铅和镉三种重金属进行沉淀去除，出水可达到电镀废水排放标准。将反应器产生的电能用于驱动电渗析装置，对重金属废水进一步处理可进一步提高出水水质，理论计算得出MDC产电能够减少8%以上的外部能量输入，可以有效降低能耗。对阳极微生物群落结构分析发现，最优势菌群为发酵细菌Klebsiella ornithinolytica，其功能主要为发酵底物产生小分子有机酸供产电菌使用，利用纯培养模式发酵细菌Escherichia Coli和模式产电细菌Geobacter Sulfurreducens以及两者的共培养菌群，证实了混合培养体系中好氧菌通过对溶解氧的调控为严格厌氧的胞外产电菌消除溶氧抑制，提出了阳极产电微生物群落相互作用规律。利用呼吸链抑制剂研究电极生物膜内电子传递，发现叠氮化钠并没有明显改变群落结构，生物量是影响电子传输或电荷转移内阻增大的一个重要因素，叠氮化钠能够作为电化学活性菌的末端电子受体参与电子传输过程。同时开发了高性能的抗生物膜污染纳米阴极催化剂，提高了阴极寿命，利用该催化剂调控阴极生物膜状态，发现阴极生物膜通过阻碍阴极溶解氧和OH-离子传质对反应器性能产生影响。通过本课题的研究为开发低能耗海水淡化和污水处理新工艺提供科学依据和技术基础。