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视野 | Bruce Rittmann教授 --生物膜、活性基质与我

2018-05-11 09:22来源:IWA国际水协会关键词:生物膜反应器活性污泥法污水处理收藏点赞

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Rittmann教授表示氢气的传递是由膜内腔的氢气压控制,不能过量或不足,应按照电子受体的负荷按需供应,它的工作曲线如下图所示。同时Rittmann教授也用下图说明这些氧化态污染物往往是以混合物的形式出现,例如硝酸盐和高氯酸盐。多受体的存在可能会形成复杂的微生物生态,尤其当需要不同的细菌来还原各种电子受体。大家可以看到反硝化菌(DB)生长最快,而且在底层附近获得最佳位置,而高氯酸还原菌(PRB)一般只能在反硝化层外,因为它无法跟反硝化菌竞争氢气。EPS则无处不在,占据了生物膜的中心。


目前这种氢基质MBfR技术已经有商业应用,案例是位于美国加州的一家饮用水处理厂,由一家叫APTwater的公司运营,它有一套包括曝气和反洗的自动控制pH和管理生物膜的系统。目前的应用重点是硝酸盐和高氯酸盐的还原,同时也正在进行研发扩展其适用性,来还原硒酸盐、铬酸盐、氯化溶剂、铀和钯等污染物。


关于MBfR技术,Rittmann教授在2015年Clarke Prize颁奖典礼上的报告中也有关于氢基质MBfR的详尽讲述。

MxC--微生物电化学电池

Rittmann教授在综述中介绍的第二个例子是微生物电化学电池(MxC)的生物膜阳极。在这里,阳极是指为阳极呼吸细菌提供的电子受体,它从有机化合物“释放”电子并将它们最终送到阴极,在那里我们可以生成有价值的产品。阳极的电势是管理生物膜阳极的微生物生态和反应动力学的敏感工具。

关于微生物电化学电池的生物膜阳极,Ritttmann教授介绍了一些需要研究的关键点,包括阳极专性细菌的独特属性、能斯特-莫诺公式量化电子传导的速度和生物膜阳极电势之间的关系、高性能生物膜阳极如何通过减缓H离子传输而不是减缓电子传导来控制电子传输、阳极专性细菌与生物膜阳极其他微生物的相互作用等。


▲ 胞外电子传递的机制:a)直接接触;b)溶解性电子穿梭体;c)传导性生物膜基体

MxC是三个单词的首字母缩写,Rittmann教授在综述中解释了为什么他用其来称呼微生物电化学电池。MxC包含了一套基于通用平台的技术集合:其中C代表Cell,表示该系统是一个包含阳极和阴极的电化学电池;M指微生物,而x表示这个平台可以用不同的方式呈现,对应产生不同的产物,例如下表中的五种形式。另外MxC在其他文章的别称可能包括生物电化学系统(BES),生物电化学技术(BET)和微生物电化学技术(MET)。


Rittmann教授认为MxC表现形式的关键在于阴极,因为每种形式都由在阴极处的反应来确定,而阳极反应基本上是相同的,例如对于作为供体的乙酸盐:


不同形式的MxC对应的产物也不一样,其输出可以是电(MFC)、氢气(MEC)、过氧化氢(MPPC)、有机化学品(MESC)或脱盐水(MDC)。 因此,活性阳极基底可以从阴极获得各种有价值的输出,同时还可以控制生物膜阳极的性能。更多关于MxC微生物化学电池的信息,可参考Rittmann教授在接受ISME/IWA生物大奖的采访视频,里边有他对MxC图文并茂的介绍:

在2017年北京举行的第十五届IWA国际厌氧大会上,Rittmann教授就介绍过MxC的潜在应用前景,例如他提出了一个PARENS的概念(Profitable Agriculture through Recovered Energy, Nutrients, and Solids),即通过能源回收,营养物质和固体使农业获利。


▲ PARENS模式概念流程图

延伸阅读:

视野 | "膜技术成本与我":膜技术应用领域的发展探讨

原标题:Bruce Rittmann教授 --生物膜、活性基质与我
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