曝气装置的能耗约占城市污水处理厂总能耗的30 %～70 %，采用节能的污水处理新技术，可减少碳排放，提高现有废水处理工程的经济性。

生物电化学系统(BES)是一种经济的和环境友好的电化学强化有机污染物生物降解的废水处理新技术，它是一种可持续并“绿色”的方法，可提高污水中有机化合物的降解速率。BES 的工作原理是在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子通过传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜或直接通过扩散作用传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合生成水。研究发现BES 可以降解碳氢化合物、酚和其他有机污染物，同时还有较好的脱氮作用，对废水中的金属离子也有较好的去除效果。目前，BES的研究主要集中在实验室小试规模，而较大规模的研究还很少。

本实验比较一种新型漂浮电极BES和传统曝气池对于城市污水的处理效果，为BES在城市污水处理方面的实际应用提供依据。

1 实验装置及方法

1.1 BES 实验装置结构

 图1 BES 实验装置

Fig.1 The BES experimental equipment

本实验构建的新型BES 装置主体采用PVC 材料制作，尺寸为3.0×1.0×1.8 m，其结构如图1 所示。其中阴极材料是两层不锈钢丝网，面积大约为3 m2，阳极是由若干不锈钢钢丝绒球串联组成，堆积体积约0.6 m3。阴极和阳极间用外包绝缘材料的不锈钢导线连接，接点处用绝缘漆密封。在水面以上的导线中连接一个10 Ω的电阻。

1.2 实验方法

实验用水取自合肥市某城市污水处理厂集水池，COD 在200～500 mg/L 之间。在室外按连续进出水方式运行，集水池污水 直接用泵提升至BES 反应器，控制水力停留时间为18 h，与该污水处理厂曝气池水力停留时间相同。室外温度在10～20 ℃。实验中，每天分别取集水池、曝气池出水和BES 出水，测定相关水质指标。

2 结果与讨论

2.1 BEC 产电情况

实验过程中，监测10 Ω电阻两端的电压，如图2。

 图2 BES 的输出电压

Fig.2 The voltage of the BES

可见，在不曝气的条件下，该BES 的10 Ω电阻两端最大电压为106 mV。运行初期，系统的电压较小，随着反应器运行，测得电压增大，但是在30 d～35 d 时，BES 的电压明显有所降低，此时BES 处理效果也有所降低，是由于气温突降影响了微生物的活性；在40 d 之后，电阻两端电压稳定在80～100 mV 之间，此时BES 运行较为稳定，且处理效果较好。表明电阻上电压值能间接反映BES 的微生物活性和废水处理程度。

2.2 BEC 装置对污水COD 的去除性能

实验过程中每天监测BES 进出水的COD 值，并和污水处理厂曝气池的处理效果进行对比，结果如图3 和图4。在运行前期，BES 出水COD 明显高于曝气池出水，随着反应器的运行，BEC的出水逐渐趋于稳定；在反应器运行至30～35 d 时，天气降温明显，BES 的出水COD 较高，废水处理效率明显下降，而污水处理厂的曝气池受气温变化影响很小，说明系统越大，运行越稳定；在反应器运行到第40 d 时，BES 出水COD 在50 mg/L 左右，略高于曝气池出水，此时BES 反应器运行稳定，COD 去除率约为88 %，而相同条件下，曝气池的去除率为90 %～92 %。，说明在实验条件下，BES 对于城市污水具有较好的处理效果。

 图3 BES 和曝气池进出水COD 变化曲线

Fig.3 COD Changes of influent and effluent of the BES and the aerobic system

 图4 BES 和曝气池COD 去除率变化曲线

Fig.4 Changes of COD removal rate of the BES and the aerobic system

2.3 pH 变化情况

 图 5 BES 和曝气池进出水pH 变化曲线

Fig.5 pH Changes of influent and effluent of the BES and the aerobic system

图5 为BES 和曝气池进出水pH 的变化曲线。可见，在BES运行中，BES 出水pH 明显高于曝气池出水；BES 出水pH 略高于进水，而曝气池出水pH 比进水略低，后期曝气池进出水pH 差异不大。

2.4 电导率(EC) 变化情况

实验过程中电导率的变化如图6。BES 出水的电导率略高于进水，且出水的电导率与进水变化趋势基本相同，而曝气池出水的电导率明显小于进水。

 图6 BES 和曝气池进出水电导率随时间变化曲线

Fig.6 EC Changes of influent and effluent of the BES and the aerobic system

2.5 氧化还原电位(ORP)变化情况

实验过程中氧化还原电位的变化如图7。BES 出水氧化还原电位明显高于进水，曝气池出水的氧化还原电位明显低于进水，且出水的氧化还原电位较为稳定。

 图7 BES 和曝气池进出水氧化还原电位随时间变化曲线

Fig.7 ORP Changes of influent and effluent of the BES and the aerobic system

3 结论

(1)新型漂浮电极生物电化学系统处理城市污水是可行的，出水水质良好且稳定，并可以明显的降低能耗。在实验条件下，出水COD 稳定在35～70 mg/L，COD 的去除效率达到88 %，接近于同水力停留时间下的城市污水处理厂曝气池。。

(2)实验条件下，该BES 在10 Ω电阻两端电压可达106 mV，电压和COD 的去除效率呈正相关关系。

(3)BES 出水的pH、电导率和氧化还原电位稳定，且高于曝气池出水。