微生物电解脱盐同时产酸碱新工艺处理含盐污水的机理研究

The saline wastewater, produced from the process of seawater utilization in the coastal cities, is a severely adverse factor to affect the municipal wastewater treatment and one of the key limitations in the application of seawater resources. In this study, a new process of bioelectrochemical systems (BESs) was proposed to remove salts from the saline wastewater and produce acid and alkali based on the movement of cations and anions with the help of exoelectrogens at the anode electrode. Organic pollutants in the desalination sewage will be used by exoelectrogens and energy be harvested. The effective treatment of the saline wastewater to became resources will be realized in the new BES, i.e., the microbial electrodialysis and chemical-production cell (MEDCC). The desalination mechanism, the cations and anions migration and transformation laws, and the characteristics of exoelectrogens in the MEDCC will be investigated in this project. The objective of this study is to ascertain the exoelectrogens' capacity of electricity production, key factors of desalination process and control parameters, and strategies for the improvement of acid and alkali productions in the MEDCC to realize the integration process of efficient desalination, high concentrations of acid and alkali production, organics removal and energy recovery to treat the saline wastewater after optimization design in the MEDCC reactor. Our study will provide a new method for the saline wastewater treatment, which will highlight an important scientific significance for the seawater resources and utilization in the future.

沿海城市海水利用过程中产生的含盐污水对生物处理系统造成的不利影响是限制海水规模化应用的关键因素之一。本项目提出一种生物电化学系统处理含盐污水的新工艺，利用产电细菌的作用，使得含盐污水脱盐，同时盐分中的阴阳离子分离制备出相应的酸碱，脱盐后污水中的有机物被产电细菌利用降解并产能，充分实现了含盐污水的资源化和有效处理。在前期工作的基础上，拟深入研究微生物电解脱盐同时制备酸碱的生物电化学系统处理含盐污水过程中的脱盐机理、阴阳离子迁移转化规律、产电菌群变化特点，以期明确产电微生物的产电特性，脱盐效果的影响因素及控制条件，提高酸碱产出的措施，最终通过反应器的优化设计实现新型反应器对含盐污水处理达到高效脱盐、高浓度酸碱产出、有机物降解和能量回收的一体化过程。本项目的研究为含盐污水处理提供了新的思路，对于未来海水综合利用和资源化具有重要的科学指导意义。

沿海城市海水利用过程中产生的含盐污水对生物处理系统造成的不利影响是限制海水规模化应用的关键因素之一。本项目对微生物电解脱盐同时产酸碱反应器（MEDCC）处理含盐废水/海水的特性及机理开展了系统研究。主要研究内容包括：MEDCC处理含盐污水过程中的脱盐机理、阴阳离子迁移转化规律、产电菌群变化特点，阐明产电微生物的产电特性，脱盐效果的影响因素及控制条件，提高酸碱产出的措施，通过反应器的优化设计实现新型反应器对含盐污水处理达到高效脱盐、高浓度酸碱产出、有机物降解和能量回收的一体化过程。发表论文17篇，其中发表在ES&T、J. Membr. Sci.、J. Hazar. Mater. 等高水平SCI论文15篇。培养硕士生8名，协助指导博士生1名。实现并完成了任务书的目标和要求。.重要结果如下：.（1）探讨了不同阳离子存在的条件下，微生物脱盐的效果，分析了不同荷电状态的离子迁移规律。实验结果表明，不同的阳离子在微生物电解池中的迁移速度有明显的差异，从而导致其脱盐速率不同，离子的脱盐速率随着荷电数的增加和水合离子直径的减小而增大。.（2）根据不同荷电状态离子的特点和海水的水质特性，构建了新型的MEDCC，实现了对海水中的Na+、Mg2+和Ca2+有效的去除，去除效率可分别达到65%、100%和80%。在碱室得到pH≈13的稀碱溶液，在酸室得到pH≈1的稀酸溶液。.（3）研究了有机酸碱离子在MEDCC中的迁移转化特性。试验结果表明， MEDCC反应器可将四甲基氯化铵有效生成四甲基氢氧化铵，与传统的电渗析过程相比，MEDCC的电耗仅为前者的5~12%，达到0.76kWh/kg； MEDCC可实现有效制备苹果酸，与传统的电渗析过程相比，MEDCC的电耗仅为前者的10~30%，达到0.34kWh/kg。.本项目的研究实现了MEDCC在脱盐的同时，将盐分转化为高价值的酸碱，且所需电耗与传统的电渗析相比大大降低，为海水及含盐废水的脱盐淡化和资源化提供了一种新的方法，对于未来海水综合利用和资源化具有重要的科学指导意义。