導(dǎo)電材料強(qiáng)化厭氧生物處理過(guò)程的研究進(jìn)展

摘要：近年來(lái)，導(dǎo)電材料在廢水處理領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注，導(dǎo)電材料具有良好的電導(dǎo)性和化學(xué)穩(wěn)定性，可以提供電子傳輸?shù)耐ǖ?，有助于微生物的電子傳遞和代謝活性的提高。因此，將導(dǎo)電材料引入到生物處理過(guò)程中，有望強(qiáng)化廢水處理效果，提高處理速度和降解效率?；诖?，從鐵系材料、碳基材料、復(fù)合材料三方面對(duì)導(dǎo)電材料強(qiáng)化厭氧生物處理進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)電材料；厭氧生物；處理建議

隨著人口的不斷增加和工業(yè)化的快速發(fā)展，廢水處理成為一項(xiàng)迫切需解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的廢水處理方法往往需要大量的能源和化學(xué)藥劑，而且處理效果有限，因此，尋找一種高效、環(huán)保的廢水處理方法是非常重要的，還需要借助科技的力量，不斷探索出一種更加可持續(xù)的廢水處理方法，導(dǎo)電材料強(qiáng)化厭氧生物處理方法由此而生，為促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供助力。

1在厭氧生物處理工作中鐵系材料的應(yīng)用

1.1零價(jià)鐵的應(yīng)用

傳統(tǒng)的有機(jī)廢水處理方法中，厭氧消化是一種常用的技術(shù)，由于廢水中有機(jī)物的復(fù)雜性和有毒物質(zhì)的存在，傳統(tǒng)的厭氧消化技術(shù)在一些高濃度、難降解有機(jī)廢水的處理中往往效果不佳。近年來(lái)，利用導(dǎo)電材料強(qiáng)化厭氧生物處理，可以有效提高厭氧消化的效率，零價(jià)鐵具有良好的導(dǎo)電性能，能夠提供電子給微生物，促進(jìn)微生物代謝活性的提高，在厭氧消化過(guò)程中，微生物通過(guò)代謝有機(jī)物產(chǎn)生電子，而零價(jià)鐵可以提供額外的電子給微生物，加速有機(jī)物的降解過(guò)程。零價(jià)鐵具有較大的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)，能夠提供更多的微生物附著和生長(zhǎng)的空間，微生物附著在零價(jià)鐵表面后，能夠更有效地吸附和降解有機(jī)物，提高厭氧消化的效率，零價(jià)鐵還能夠吸附和催化產(chǎn)生一些能夠促進(jìn)微生物生長(zhǎng)和代謝的中間產(chǎn)物。此外，零價(jià)鐵還能夠吸附廢水中的有機(jī)物和重金屬離子，減少有機(jī)物和毒性物質(zhì)對(duì)微生物的抑制作用［1］。零價(jià)鐵還具有一定的還原能力，可以還原廢水中的硝酸鹽和硫酸鹽等，減少厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物對(duì)微生物的抑制作用，提高厭氧消化的效率。因此，在有機(jī)廢水處理中，利用零價(jià)鐵強(qiáng)化厭氧生物處理，有助于提高厭氧消化的效率，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的廢水處理。

2.2鐵氧化物的應(yīng)用

鐵氧化物作為一種重要的導(dǎo)電材料，具有良好的導(dǎo)電性和催化活性，能夠促進(jìn)厭氧消化過(guò)程中的有機(jī)廢水降解和產(chǎn)氣效果。鐵氧化物導(dǎo)電材料一般是四氧化三鐵（Fe3O4），對(duì)于零價(jià)鐵而言，其水解以及與酸性物質(zhì)反應(yīng)的影響較高，但是零價(jià)鐵可以有效促進(jìn)甲烷形成過(guò)程；而四氧化三鐵污泥中的水解質(zhì)反應(yīng)以及酸化反應(yīng)效果較高，但是對(duì)于甲烷的發(fā)展很不利，產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是由于四氧化三鐵與水基輔酶之間發(fā)生了電子競(jìng)爭(zhēng)，在厭氧反應(yīng)器中添加氫氧化鐵，除去化學(xué)需氧量的效果較為明顯，有利于電子傳遞。在厭氧反應(yīng)器中添加四氧化三鐵，除去甲烷和化學(xué)需氧量的效果非常高，可知導(dǎo)電材料四氧化三鐵更有利于微生物的活躍，可以促進(jìn)電活性物質(zhì)大量產(chǎn)生，作為電子的形式在DIET進(jìn)行穿梭，加快揮發(fā)性脂肪酸的降解。在實(shí)際應(yīng)用中，可以將鐵氧化物添加到厭氧消化系統(tǒng)中來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)厭氧消化的強(qiáng)化，添加鐵氧化物的方法有多種，例如可以將鐵氧化物直接投加到厭氧消化池中，也可以將鐵氧化物修飾在載體上，形成固定化的鐵氧化物，還可以通過(guò)電化學(xué)方法在電極表面形成鐵氧化物膜，以增強(qiáng)導(dǎo)電和催化效果。需要注意的是，鐵氧化物的添加量和添加方式應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)控，過(guò)高的鐵氧化物添加量可能會(huì)對(duì)微生物活性產(chǎn)生抑制作用，影響厭氧消化效果。

2.3錳氧化物的應(yīng)用

錳氧化物是一種具有較高電導(dǎo)率的導(dǎo)電材料，能夠有效地傳遞電子，提供給厭氧微生物實(shí)現(xiàn)電子傳遞，從而加速厭氧消化的過(guò)程。此外，錳氧化物還具有一定的催化作用，錳氧化物表面的活性位點(diǎn)能夠催化有機(jī)物的降解反應(yīng)，提高厭氧微生物的降解能力，錳氧化物還能催化厭氧微生物產(chǎn)生一些活性物種，如自由基和過(guò)氧化物，進(jìn)一步增強(qiáng)厭氧消化過(guò)程中的氧化反應(yīng)。［2］二氧化錳能夠促進(jìn)丙酸鹽和丁酸鹽降解效果，有效提高甲烷的產(chǎn)量，二氧化錳可以加速胞外聚合物的分泌過(guò)程，進(jìn)而提升微生物的活動(dòng)以及傳輸電子的能力。二氧化錳可以促進(jìn)微生物活性，經(jīng)石墨烯、二氧化錳等材料對(duì)電極進(jìn)行修飾，除去化學(xué)需氧量以及甲烷的效果較高，經(jīng)過(guò)處理的電極是通過(guò)增加反應(yīng)表面積的方式提高厭氧消化速度，進(jìn)而提高微生物活性?？偟膩?lái)說(shuō)，二氧化錳在厭氧生物處理中展現(xiàn)出了顯著的強(qiáng)化效果，能夠加速厭氧消化過(guò)程的進(jìn)行，提高處理效率。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以考慮將錳氧化物引入?yún)捬跎锾幚硐到y(tǒng)中，以達(dá)到更好的處理效果。但是在厭氧消化研究，錳氧化物方法與鐵元素的相比研究相對(duì)較少，具有較大的發(fā)展空間。

2在厭氧生物處理工作中碳基材料的應(yīng)用

2.1碳納米管的應(yīng)用

碳納米管作為一種新型納米材料，具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于厭氧生物處理工作中。碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，可以作為催化劑的載體，在厭氧生物處理過(guò)程中，一些有機(jī)廢水中的有害物質(zhì)難以被微生物降解，此時(shí)可以用碳納米管作為載體，將催化劑負(fù)載在其表面，提高有機(jī)廢水的降解效率。在厭氧生物處理過(guò)程中，產(chǎn)生的氣體中可能含有有害的氣體，如硫化氫、甲烷等，碳納米管具有高度的孔隙結(jié)構(gòu)和吸附能力，可以用于氣體的分離和捕獲，將碳納米管與厭氧生物反應(yīng)器相結(jié)合，可以有效地捕獲和回收產(chǎn)生的有害氣體。碳納米管具有良好的生物相容性和生物吸附能力，可以用于構(gòu)建生物傳感器，在厭氧生物處理工作中，通過(guò)檢測(cè)微生物的代謝產(chǎn)物或環(huán)境中的指標(biāo)物質(zhì)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理效果和污染物濃度。［3］在厭氧生物處理過(guò)程中，產(chǎn)生的污泥含有大量的有機(jī)物和重金屬等污染物，碳納米管具有良好的吸附性能和穩(wěn)定性，可以作為污泥固化劑，將碳納米管與污泥混合，可以有效地吸附和穩(wěn)定有機(jī)物和重金屬，減少污泥的處理和處置成本。充分發(fā)揮碳納米管的特殊性質(zhì)，可以提高厭氧生物處理的效率和效果，減少環(huán)境污染，為環(huán)境保護(hù)作出貢獻(xiàn)。

2.2顆?；钚蕴坎牧系膽?yīng)用

GAC導(dǎo)電材料能夠提供電子傳遞的通道，使得微生物能夠?qū)㈦娮又苯觽鬟f到電極上，從而提高反應(yīng)速率和產(chǎn)氣效率，GAC導(dǎo)電材料還能夠提供表面吸附位點(diǎn)，增加微生物的附著和生長(zhǎng)，進(jìn)一步提高反應(yīng)效果。GAC作為一種常見(jiàn)的導(dǎo)電材料，廣泛應(yīng)用于厭氧生物處理中，GAC具有較大表面積、多孔結(jié)構(gòu)和良好的吸附性能，能夠?yàn)槲⑸锔街稽c(diǎn)和吸附位點(diǎn)提供豐富的助力。同時(shí)，GAC還能夠提供電子傳遞的通道，加速電子的轉(zhuǎn)移和催化反應(yīng)的進(jìn)行，還具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊性能，能夠抵抗厭氧處理過(guò)程中的外部沖擊和壓力變化。GAC在厭氧生物處理中的應(yīng)用主要包括兩個(gè)方面：一是作為生物載體，提供微生物的附著和生長(zhǎng)環(huán)境，GAC能夠提供豐富的附著位點(diǎn)和吸附位點(diǎn)，有利于微生物的附著和生長(zhǎng)，從而提高反應(yīng)活性和產(chǎn)氣效率。二是作為電極材料，提供電子傳遞的通道。作為生物載體和電極材料，GAC能夠提供電子傳遞的通道，加速電子轉(zhuǎn)移和催化反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高反應(yīng)速率和產(chǎn)氣效率。GAC在厭氧生物處理中的強(qiáng)化作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1） GAC能夠提供更多的附著位點(diǎn)和吸附位點(diǎn)，增加微生物的附著和生長(zhǎng)，促進(jìn)微生物的代謝活性和產(chǎn)氣能力，可以提供電子傳遞的通道，加速電子轉(zhuǎn)移和催化反應(yīng)的進(jìn)行，提高反應(yīng)速率和產(chǎn)氣效率［4］；（2） GAC還能夠提供良好的機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；（3） GAC能夠提高反應(yīng)活性和產(chǎn)氣效率，從而提高厭氧消化的處理效果。未來(lái)的研究還可以進(jìn)一步探索導(dǎo)電材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用機(jī)制，以進(jìn)一步提高厭氧生物處理的效率和穩(wěn)定性。

2.3生物質(zhì)炭的應(yīng)用

厭氧生物處理是一種通過(guò)微生物在缺氧條件下分解有機(jī)廢棄物的方法，可以有效地降解有機(jī)物質(zhì)并產(chǎn)生可再生能源。近年來(lái)，研究者們發(fā)現(xiàn)通過(guò)引入導(dǎo)電材料，如生物質(zhì)炭，可以增強(qiáng)厭氧生物處理的效果，進(jìn)一步提高有機(jī)物的降解效率和產(chǎn)氣量。生物質(zhì)炭是一種由生物質(zhì)經(jīng)過(guò)熱解過(guò)程得到的固體炭材料，具有良好的導(dǎo)電性和吸附性，在厭氧生物處理中，生物質(zhì)炭可以作為導(dǎo)電材料引入反應(yīng)器中，與微生物共同參與廢水處理過(guò)程。導(dǎo)電材料的引入可以提供微生物附著的表面，增加微生物與有機(jī)廢物之間的接觸面積，從而促進(jìn)有機(jī)廢物的降解。導(dǎo)電材料的引入不僅增加了微生物的附著表面，還可以提供電子傳遞的通路，微生物在厭氧條件下通過(guò)產(chǎn)生電子來(lái)代謝有機(jī)廢物，而導(dǎo)電材料可以作為電子傳遞的中介，加快電子的傳遞速度，提高微生物的代謝效率，還可以吸附有機(jī)廢物，減少?gòu)U物的溶解度，使有機(jī)廢物更易被微生物降解。導(dǎo)電材料的引入還可以改善厭氧生物處理過(guò)程中的微生物群落結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電材料提供了微生物生長(zhǎng)和繁殖的理想環(huán)境，促進(jìn)優(yōu)勢(shì)菌的生長(zhǎng)，抑制有害菌的繁殖，使微生物群落更加穩(wěn)定和高效。

3在厭氧生物處理工作中復(fù)合材料的應(yīng)用

隨著對(duì)應(yīng)用導(dǎo)電材料強(qiáng)化厭氧消化的研究不斷深入，人們開(kāi)始將注意力轉(zhuǎn)向復(fù)合材料，探索其對(duì)厭氧消化過(guò)程的強(qiáng)化作用。復(fù)合材料具有多種材料的特性和功能，可以通過(guò)調(diào)控不同組分的相互作用，進(jìn)一步提高厭氧消化效率和產(chǎn)氣量。例如將導(dǎo)電材料與其他填料相結(jié)合，可以增加電極表面積，促進(jìn)微生物附著和電子轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)有機(jī)物降解和產(chǎn)氣反應(yīng)。此外，復(fù)合材料還可以調(diào)節(jié)介質(zhì)的傳質(zhì)和傳熱性能，提高反應(yīng)體系的穩(wěn)定性和效率。進(jìn)一步研究復(fù)合材料在厭氧消化中的應(yīng)用，可以為提高能源回收和廢棄物處理效率提供新的途徑和思路。將MnO2與GAC合成GACMnO2復(fù)合材料，并將其添加在厭氧系統(tǒng)中，去除COD和甲烷的效率得到有效提升，這種增強(qiáng)成效主要是由于Mn4+/Mn2+，經(jīng)過(guò)氧化還原反應(yīng)，通過(guò)這種循環(huán)反應(yīng)，可以更有效地促進(jìn)厭氧消化過(guò)程中的甲烷產(chǎn)生。GACMnO2復(fù)合材料的合成方法是通過(guò)將MnO2沉積到GAC表面，形成均勻分布的MnO2顆粒，這種復(fù)合材料具有活性炭的吸附性能和MnO2的催化性能的疊加效應(yīng)，在厭氧消化系統(tǒng)中添加GACMnO2復(fù)合材料后，其表面的MnO2顆?？梢蕴峁└嗟拇呋稽c(diǎn)，促進(jìn)COD的降解反應(yīng)。與單一材料相比，GACMnO2復(fù)合材料具有更多的催化位點(diǎn)和更強(qiáng)的催化活性，這使得厭氧消化過(guò)程中的甲烷產(chǎn)率得以提高［5］。此外，GACMnO2復(fù)合材料的催化性能還受到GAC的吸附性能的增強(qiáng)影響，GACMnO2復(fù)合材料可以更好地吸附有機(jī)物，使其更容易與MnO2中的催化位點(diǎn)接觸，從而提高催化反應(yīng)的效率。成功合成了水葫蘆生物炭，并在厭氧降解過(guò)程中將其應(yīng)用在2，4，6三氯酚和煤氣化廢水中，這一創(chuàng)新不僅拓展了厭氧消化技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用范圍，還提高了處理效率。此外，將GAC/ZVI復(fù)合材料添加到EGSB反應(yīng)器中，不僅可以提高去除甲烷產(chǎn)量和COD的效率，還能有效減少鐵氧化合物的損失，這意味著通過(guò)添加GAC/ZVI復(fù)合材料，不僅可以提高產(chǎn)氣效率，還可以最大程度地保留鐵氧化合物的活性。Fe3O4/WHB的合成為厭氧降解過(guò)程提供了一種新的材料選擇，其高效吸附和催化降解性能將有助于進(jìn)一步提高廢水處理的效率。同時(shí)，GAC/ZVI復(fù)合材料的引入不僅可以提高甲烷產(chǎn)量和COD去除率，還可以減少鐵氧化合物的損失，從而減少處理過(guò)程中的資源浪費(fèi)。相信隨著進(jìn)一步的研究和應(yīng)用，這些成果將為解決廢水處理中的難題作出更大的貢獻(xiàn)。

4結(jié)論

不同種類(lèi)的導(dǎo)電材料具有各自獨(dú)特的理化特性，如導(dǎo)電性能、化學(xué)穩(wěn)定性、表面活性等，對(duì)厭氧消化的效果也不相同。在未來(lái)發(fā)展中，除了比較不同種類(lèi)導(dǎo)電材料的強(qiáng)化作用，還應(yīng)該開(kāi)發(fā)出性能更優(yōu)越、價(jià)格更低廉、便于后續(xù)回收利用的復(fù)合導(dǎo)電材料。這樣的復(fù)合導(dǎo)電材料不僅可以提高厭氧消化過(guò)程的效率，還可以減少成本和資源的浪費(fèi)。此外，復(fù)合導(dǎo)電材料的回收利用也有助于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：鄒子瑜，男，山東夏津人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：生物學(xué)和材料學(xué)樣品制備和電鏡微區(qū)結(jié)構(gòu)分析。