[发明专利]微生物/电化学氧化处理抗生素还原CO2

说明书

本发明涉及产甲烷和电化学氧化技术，旨在提供一种微生物/电化学氧化处理抗生素还原CO₂的系统及方法。该系统的双室反应器中使用生物阴极和电化学氧化阳极，生物阴极是以紧密填充的导电碳颗粒作为三维导电生物载体，在载体表面富集了电活性产甲烷生物膜；阴极液是含有无机碳源、氮源、矿物质、维生素和缓冲液的混合溶液，阳极液为含有抗生素的废水。本发明的创新性地在阴极室设置生物阴极，通过采用紧密填充的导电碳颗粒作为三维导电生物载体，其表面富集了电活性产甲烷生物膜；能够实现快速富集电活性产甲烷生物膜并获得高甲烷产率，同时有效降低阴极反应的过电位。从而减少抗生素排放对环境的不利影响并实现沼气升级，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及产甲烷和电化学氧化技术，具体涉及一种微生物/电化学氧化处理抗生素还原CO₂的系统及方法。

背景技术

人口的急剧增长以及化石燃料的广泛应用导致二氧化碳排放量不断增加并引起能源短缺，与此同时还产生了大量难降解有机物废水。而大气中高浓度二氧化碳会导致温室效应、海水酸化等一系列环境问题并推动气候变化；难降解有机废水则含有多环芳烃、卤代烃、杂环类化合物等有毒且难降解的有机污染物，一旦排入环境也会对生态环境和人类健康安全造成极大影响。因此二氧化碳转化和难降解有机污染物的治理已经成为全球性的焦点话题和研究热点。

二氧化碳可以通过化学、光化学、电化学方法还原为各种燃料及化学品，例如一氧化碳，甲烷，醇和有机酸等，但其产物的选择性有限，而昂贵的催化剂、较低的能效、严格的反应条件等也一直是该技术的发展瓶颈。相比之下，生物催化转化CO₂具有环境友好、反应条件温和(常压和环境温度)、产物选择性高等优点。不仅如此，生物催化剂可以直接从自然界大量获取，不需要人工合成催化剂，因此是一种非常具有前景的CO₂捕获与利用技术。此外，对于难降解有机污染物的处理，抗生素作为新兴的难降解污染物，已在自然界各类水体中被广泛检测到，因为它们的结构非常稳定且生物降解性差，无法通过传统的污水处理工艺有效地去除。所以这些污染物势必对生态和人类健康造成持久风险，例如诱发细菌对抗生素的耐药性，干扰动物及人体的内分泌并引起慢性毒性等。因此，需要开发新的系统或方法来解决这些问题。

近年来，微生物电合成甲烷(mEMG)作为一种绿色环保的CO₂转化新技术，获得广泛关注，该技术创新性地使用氢营养型产甲烷菌作为生物催化剂，将CO₂高选择性地转化为易储存的气体燃料CH₄。传统的mEMG系统主要由析氧阳极和还原CO₂的产甲烷生物阴极组成。当富集足够的特定产甲烷生物膜时，生物阴极能够通过直接电子传递以较低的阴极过电位还原CO₂产甲烷。然而，传统的mEMG系统产甲烷速率和成本效益仍然有限，因为生物膜通常在二维电极材料如碳布或石墨片上培养，导致反应面积不足，传质速率有限，与此同时阳极则消耗了近一半的电能输入用于生产低附加值的氧气。因此需要开发三维并具有良好传质特性的材料用作三维导电生物载体以优化生物阴极性能，并耦合更具成本效益的阳极反应。而对于处理难降解污染物抗生素，电化学氧化是一种极具吸引力的高效水处理技术。该技术能够在阳极氧化水分子以生成高活性羟基自由基(·OH)，对难降解污染物具有强氧化能力和高去除效率。在单纯的电化学氧化系统中，阴极通常发生析氢反应，其产物难以回收且阴极电位较低，导致高电解电压和电能的浪费。因此可以考虑电化学氧化阳极与mEMG生物阴极相结合用于实现低能耗处理抗生素同时还原二氧化碳产甲烷。

目前将电化学氧化阳极与mEMG生物阴极相结合用于实现低能耗处理抗生素同时还原二氧化碳产甲烷的研究还未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种微生物/电化学氧化处理抗生素还原CO₂的系统及方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：