生物電化學(xué)系統(tǒng)（bioelectrochemical system，BES）是新興的污水處理及資源回收技術(shù)，已證實(shí)其對印染、化工、醫(yī)藥、食品加工等工業(yè)廢水具有很好的處理效果，同時(shí)能以氫氣、沼氣、電能或者中水的形式高效回收資源，是一種結(jié)合生物技術(shù)和電化學(xué)還原/氧化技術(shù)優(yōu)勢的耦合系統(tǒng)。該系統(tǒng)陽極和陰極中至少有一個(gè)電極會(huì)發(fā)生微生物催化的氧化/還原反應(yīng)，在電極上發(fā)生有微生物或者微生物代謝產(chǎn)物參與的電子傳遞過程。近年來，學(xué)者們對生物電化學(xué)工藝在強(qiáng)化難降解廢水處理中的應(yīng)用開展了大量研究，并在影響因素、處理對象多元化等方面獲得重要進(jìn)展。

    2017年我國工業(yè)廢水排放量約為690億噸，其中難降解廢水超過100億噸，主要包括焦化、印染、農(nóng)藥、石油、化工等工業(yè)廢水，其特點(diǎn)是成分復(fù)雜，COD、色度、鹽分和毒性難降解物質(zhì)含量高。

    采用傳統(tǒng)的生物法處理難降解工業(yè)廢水難以使其達(dá)標(biāo)排放，而采用物化處理工藝則存在費(fèi)用高的問題，因此，對該類廢水的處理成為污水處理業(yè)公認(rèn)的難題。

    該系統(tǒng)結(jié)合了生物技術(shù)和電化學(xué)還原/氧化技術(shù)的優(yōu)勢，在陽極產(chǎn)電，同時(shí)在陰極降解污染物和合成甲烷、氫氣等物質(zhì)。其本質(zhì)為EAB通過特定的細(xì)胞膜蛋白、細(xì)胞結(jié)構(gòu)或可溶解性的氧化還原電子介質(zhì)實(shí)現(xiàn)微生物與固態(tài)電極間的電子傳遞過程。BES主要由4部分組成，即電極、微生物、基質(zhì)和外電路。

    在已有研究基礎(chǔ)上，對BES強(qiáng)化處理難降解廢水的效能進(jìn)行了綜述和總結(jié)，分析了電極、外加電壓、鹽度、電化學(xué)活性細(xì)菌（electrochemically active bacteria，EAB）等因素對處理效果的影響，討論了其在偶氮染料廢水、硝基芳烴廢水、氯酚廢水等典型難降解工業(yè)廢水強(qiáng)化處理中的應(yīng)用效果，并對其未來發(fā)展進(jìn)行了展望，以期為BES的大規(guī)模應(yīng)用提供參考。

    BES是利用微生物的胞外電子轉(zhuǎn)移從底物中獲取能量，將生物能轉(zhuǎn)化為電能，從而達(dá)到直接利用電能及降解污染物的目的。

    BES基本構(gòu)型及原理為附著在陽極上的微生物與溶液中基質(zhì)（有機(jī)物）相互反應(yīng)產(chǎn)生電子及氧化產(chǎn)物等，產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路傳遞到陰極，與陰極上的電子受體相結(jié)合，生成還原產(chǎn)物。

    在此過程中，BES中基質(zhì)被持續(xù)降解，從而在外電路上形成電流，完成生物能轉(zhuǎn)化為電能的過程，從而實(shí)現(xiàn)以難降解污染物為電子受體的陰極還原。

    BES主要包括微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）和微生物電解池（microbial electrolysis cell，MEC），以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來的微生物脫鹽池（microbial desalination cell，MDC）等。

    MFC的基本原理是在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)而產(chǎn)生電子，產(chǎn)生的電子通過外電路傳遞到陰極，陰極上的電子受體接受電子被還原，從而利用陰陽兩極之間形成的電勢差作為輸出電壓，使得微生物的生物能轉(zhuǎn)化為電能。

    MEC與MFC略有不同，MEC陰極的電子受體多為還原電位較低的底物，如難降解污染物等，需通過給予外加電壓，促使陰極電勢降低到難降解污染物能夠發(fā)生還原反應(yīng)的電位。

    MEC的基本原理是微生物降解底物所產(chǎn)生的電子經(jīng)細(xì)胞膜傳遞至陽極，然后在外電路上的電源所提供的電勢差作用下到達(dá)陰極，與陰極上的電子受體相結(jié)合生成氫氣、甲烷等還原產(chǎn)物。

    而MDC的構(gòu)造是在MFC的陰極室和陽極室之間加入陰陽離子交換膜，從而產(chǎn)生脫鹽室。其原理是附著在陽極上的微生物氧化有機(jī)物產(chǎn)生電子，其經(jīng)外電路傳遞至陰極，在陰陽極室間形成電場，脫鹽室內(nèi)的鈉離子通過陽離子交換膜遷入陰極室，而氯離子經(jīng)陰離子交換膜遷入陽極室，以達(dá)到脫鹽的效果。

    為了進(jìn)一步提升BES的處理效能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，未來需在以下方面進(jìn)行進(jìn)一步探討和研究。

（1）選擇高效、廉價(jià)的不銹鋼材質(zhì)制造生物電化學(xué)電極模塊，摒棄貴金屬、碳纖維和石墨等傳統(tǒng)電極材料，針對性研究表面改性技術(shù)，提高其生物親和性、電化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性；

（2）降低各影響因素對EAB的不利影響，以高效篩選和富集EAB，從而進(jìn)一步提高BES中電子傳遞速率；

（3）構(gòu)建生物電化學(xué)強(qiáng)化處理難降解廢水中試系統(tǒng)，并評估中試規(guī)模下的電耗成本，重點(diǎn)分析電路和電極上的電化學(xué)損耗，為規(guī)模化應(yīng)用該技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。