摘要：近年來，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程中，有望強化廢水處理效果，提高處理速度和降解效率?；诖?，從鐵系材料、碳基材料、復(fù)合材料三方面對導(dǎo)電材料強化厭氧生物處理進行探討。

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，廢水處理成為一項迫切需解決的問題。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)電材料強化厭氧生物處理方法由此而生，為促進環(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

1.1零價鐵的應(yīng)用

傳統(tǒng)的有機廢水處理方法中，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、難降解有機廢水的處理中往往效果不佳。近年來，利用導(dǎo)電材料強化厭氧生物處理，可以有效提高厭氧消化的效率，零價鐵具有良好的導(dǎo)電性能，能夠提供電子給微生物，促進微生物代謝活性的提高，在厭氧消化過程中，微生物通過代謝有機物產(chǎn)生電子，而零價鐵可以提供額外的電子給微生物，加速有機物的降解過程。零價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的空間，微生物附著在零價鐵表面后，能夠更有效地吸附和降解有機物，提高厭氧消化的效率，零價鐵還能夠吸附和催化產(chǎn)生一些能夠促進微生物生長和代謝的中間產(chǎn)物。此外，零價鐵還能夠吸附廢水中的有機物和重金屬離子，減少有機物和毒性物質(zhì)對微生物的抑制作用［1］。零價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，減少厭氧消化過程中產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物對微生物的抑制作用，提高厭氧消化的效率。因此，在有機廢水處理中，利用零價鐵強化厭氧生物處理，有助于提高厭氧消化的效率，實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、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，能夠促進厭氧消化過程中的有機廢水降解和產(chǎn)氣效果。鐵氧化物導(dǎo)電材料一般是四氧化三鐵（Fe3O4），對于零價鐵而言，其水解以及與酸性物質(zhì)反應(yīng)的影響較高，但是零價鐵可以有效促進甲烷形成過程；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)生了電子競爭，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，可以促進電活性物質(zhì)大量產(chǎn)生，作為電子的形式在DIET進行穿梭，加快揮發(fā)性脂肪酸的降解。在實際應(yīng)用中，可以將鐵氧化物添加到厭氧消化系統(tǒng)中來實現(xiàn)對厭氧消化的強化，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，還可以通過電化學(xué)方法在電極表面形成鐵氧化物膜，以增強導(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)具體情況進行調(diào)控，過高的鐵氧化物添加量可能會對微生物活性產(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現(xiàn)電子傳遞，從而加速厭氧消化的過程。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能夠催化有機物的降解反應(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，如自由基和過氧化物，進一步增強厭氧消化過程中的氧化反應(yīng)。［2］二氧化錳能夠促進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程，進而提升微生物的活動以及傳輸電子的能力。二氧化錳可以促進微生物活性，經(jīng)石墨烯、二氧化錳等材料對電極進行修飾，除去化學(xué)需氧量以及甲烷的效果較高，經(jīng)過處理的電極是通過增加反應(yīng)表面積的方式提高厭氧消化速度，進而提高微生物活性。總的來說，二氧化錳在厭氧生物處理中展現(xiàn)出了顯著的強化效果，能夠加速厭氧消化過程的進行，提高處理效率。因此，在實際應(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，在厭氧生物處理過程中，一些有機廢水中的有害物質(zhì)難以被微生物降解，此時可以用碳納米管作為載體，將催化劑負載在其表面，提高有機廢水的降解效率。在厭氧生物處理過程中，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，通過檢測微生物的代謝產(chǎn)物或環(huán)境中的指標物質(zhì)，可以實時監(jiān)測處理效果和污染物濃度。［3］在厭氧生物處理過程中，產(chǎn)生的污泥含有大量的有機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)境保護作出貢獻。

2.2顆粒活性炭材料的應(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，增加微生物的附著和生長，進一步提高反應(yīng)效果。GAC作為一種常見的導(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，能夠為微生物附著位點和吸附位點提供豐富的助力。同時，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)的進行，還具有良好的機械強度和抗沖擊性能，能夠抵抗厭氧處理過程中的外部沖擊和壓力變化。GAC在厭氧生物處理中的應(yīng)用主要包括兩個方面：一是作為生物載體，提供微生物的附著和生長環(huán)境，GAC能夠提供豐富的附著位點和吸附位點，有利于微生物的附著和生長，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化作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1） GAC能夠提供更多的附著位點和吸附位點，增加微生物的附著和生長，促進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械強度和抗沖擊性能，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。未來的研究還可以進一步探索導(dǎo)電材料的優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用機制，以進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微生物在缺氧條件下分解有機廢棄物的方法，可以有效地降解有機物質(zhì)并產(chǎn)生可再生能源。近年來，研究者們發(fā)現(xiàn)通過引入導(dǎo)電材料，如生物質(zhì)炭，可以增強厭氧生物處理的效果，進一步提高有機物的降解效率和產(chǎn)氣量。生物質(zhì)炭是一種由生物質(zhì)經(jīng)過熱解過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，增加微生物與有機廢物之間的接觸面積，從而促進有機廢物的降解。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產(chǎn)生電子來代謝有機廢物，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，還可以吸附有機廢物，減少廢物的溶解度，使有機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和繁殖的理想環(huán)境，促進優(yōu)勢菌的生長，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

隨著對應(yīng)用導(dǎo)電材料強化厭氧消化的研究不斷深入，人們開始將注意力轉(zhuǎn)向復(fù)合材料，探索其對厭氧消化過程的強化作用。復(fù)合材料具有多種材料的特性和功能，可以通過調(diào)控不同組分的相互作用，進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，促進微生物附著和電子轉(zhuǎn)移，增強有機物降解和產(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，這種增強成效主要是由于Mn4+/Mn2+，經(jīng)過氧化還原反應(yīng)，通過這種循環(huán)反應(yīng)，可以更有效地促進厭氧消化過程中的甲烷產(chǎn)生。GACMnO2復(fù)合材料的合成方法是通過將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，促進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和更強的催化活性，這使得厭氧消化過程中的甲烷產(chǎn)率得以提高［5］。此外，GACMnO2復(fù)合材料的催化性能還受到GAC的吸附性能的增強影響，GACMnO2復(fù)合材料可以更好地吸附有機物，使其更容易與MnO2中的催化位點接觸，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一步提高廢水處理的效率。同時，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，從而減少處理過程中的資源浪費。相信隨著進一步的研究和應(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。

4結(jié)論

不同種類的導(dǎo)電材料具有各自獨特的理化特性，如導(dǎo)電性能、化學(xué)穩(wěn)定性、表面活性等，對厭氧消化的效果也不相同。在未來發(fā)展中，除了比較不同種類導(dǎo)電材料的強化作用，還應(yīng)該開發(fā)出性能更優(yōu)越、價格更低廉、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程的效率，還可以減少成本和資源的浪費。此外，復(fù)合導(dǎo)電材料的回收利用也有助于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

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［5］姚兵，魯鑒予.細胞內(nèi)聚合物誘導(dǎo)導(dǎo)電聚苯胺提高厭氧污水處理產(chǎn)甲烷量研究［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2021，46（4）：117120，130.

作者簡介：鄒子瑜，男，山東夏津人，助理實驗師，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。