摘要
针对阳极氧化技术处理难降解有机污染物过程中能耗较高的问题，本文提出一种用O2还原生物阴极代替水还原化学阴极，与电催化膜阳极耦合，构建O2还原生物阴极-电催化膜反应器(O2-reducing Biocathode-Electrocatalytic MembraneReactor，BECMR)的方法。研究结果如下: 以石墨毡为阴极材料、以MnOx/Ti电催化膜为阳极，在0.7 V下接种并运行BECMR，15d后阴极电势开始上升且17d后产生电流，表明BECMR构建成功。与石墨毡化学阴极电催化膜反应器(Electrocatalytic Membrane Reactor，ECMR)相比，BECMR可以在更低电压下启动（产生电流）。BECMR的生物阴极中变形菌门的细菌是优势菌群，占89.3％，其次为拟杆菌门，占7.9％。变形菌门下的假单胞菌和不动杆菌是优势菌属，分别占30.2％和25.7％。上述电化学活性微生物具有催化O2还原为H2O的能力，是BECMR阴极电势升高的原因。根据热力学及电化学基本理论，BECMR具有更高的阴极电势，从而能在较EMCR更低的电压下启动。 以苯酚为目标去除物，以石墨毡为阴极材料、以MnOx/Ti电催化膜为阳极，在0.7V、1.0V和1.3V下成功启动了BECMR，BECMR-0.7V和BECMR-1V的启动周期短于BECMR-1.3V。停留时间为23.8 min时，BECMR-0.7V和BECMR-1V降解2mM苯酚的TOC去除率分别为50.0％和42.1％。BECMR-0.7V和BECMR-1V与不锈钢化学阴极ECMR(STEEL-ECMR)对苯酚的TOC去除率相差不大。这是由于苯酚主要通过从阳离子交换膜直接扩散到阴极而得到去除，而非电催化氧化。 以亚甲基蓝为目标去除物运行BECMR，BECMR-1V的去除效果优于BECMR-0.7V。当停留时间为35.7 min、亚甲基蓝浓度为150 mg/L时，亚甲基蓝去除率分别为78.1％和37.7％，TOC去除率分别为40.2％和22.1％，有机去除负荷分别为16.7 mg/(m2·h)和9.2 mg/(m2·h)。BECMR的亚甲基蓝去除率、TOC去除率及有机去除负荷均明显高于相同条件下的STEEL-ECMR。而且，在达到相同TOC去除率的前提下，BECMR-1V的外电压和能耗均明显低于STEEL-ECMR，前者能耗为19.7 kWh/kg TOC，后者的外电压为1.95 V，能耗为44.7 kWh/kgTOC。亚甲基蓝的去除与电化学过程显著相关，且检测到了电场作用下阳极羟基自由基(·OH)的生成，推测其是亚甲基蓝去除的主要原因。
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