生物电化学技术（BES）回收污水中的金属
全球的工业化快速推进和人类活动产生了各种各样含有金属的污水。虽然这些污水一方面可能对人类健康和生活环境造成负面影响，但是另一方面其却是金属回收循环的宝贵途径。科学技术的进步将逐渐使污水中金属回收成为更加经济划算和可持续的解决方案。
然而，大部分种类的污水中金属含量其实都很低，要使金属回收变得更有意义，回收技术必须能处理大量污水并有效富集目标金属。有效回收利用目标金属为这项技术发展提供了经济驱动力，尽管面对诸多挑战，相关研究和技术进展都显示了良好的前景。
污水中金属的常见含量
传统的金属回收技术包括物理、化学和生物方法。
| 物理方法 | 膜过滤(超滤、纳滤)、反渗透、电解、离子交换、离子浮选、吸附 |
| 化学方法 | 沉降、胶结、电萃取 |
| 生物方法 | 电凝聚、光催化、膜电解、生物吸附、生物修复 |
传统的金属回收方案往往会耗费大量的能源和化学品。生物电化学技术的最新发展为金属回收提供了高效的新途径，它给基于氧化反应或还原反应的工艺提供了灵活的平台。近些年研究人员探索了金属转化的相关机理和技术，结果表明了生物电化学方法回收金属这一概念的可行性。
生物电化学系统的英文全称Bioelectrochemical System，简称BES。BES系统是利用微生物将可生物降解的原材料中的化学能转化为电能或者其他化学物质的一种技术平台。生物电化学的主要方法是用金属作为阴极上的电子受体，而有机废物作为阳极上的电子供体。
生物电化学系统为废弃物/污水处理与能量和资源回收的结合提供了新的思路。当微生物将可生物降解的底物氧化，并还原阳极，从而生成电，这样的装置就成为微生物燃料电池(Microbialfuel cell–MFC)。反过来，如果对系统施加低压产生还原产物，这种装置就叫做微生物电解池(Microbial electrosynthesis-MES)。不少相关研究的结论都肯定了生物电化学系统的优点，例如节省污水处理在好氧曝气上的能耗和污泥处置的成本。但因为跟厌氧消化工艺相比，生物电化学系统的能量密度还比较低，所以它目前主要用于低浓度的污水处理。
许多可行性研究已经展现了生物电化学反应平台在还原和回收不同金属的高效性。而欧盟也在2012年通过欧盟第七框架计划（7th Framework Programme），推出了专注生物电化学研究的联合项目BioelectroMET，资助金额高达330万欧元，参与机构包括了荷兰的卓越可持续水研究中心WETSUS、特殊阳极制造商Magneto、英国的MASTCarbon International、卢森堡的Centre de Rescherche Public Henri Tudor、西班牙的Universitat Jaume I大学、瑞典的Linnaeus University、芬兰的Tampere University of Technology。荷兰的WETSUS是这一联合项目的协调机构。该项目的目标是进一步调查和开发能耗极低甚至是零能耗的金属回收技术。
目前生物电化学技术主要主要采用四类工艺来回收金属，分别为(A) 用非生物阴极直接回收金属；(B) 用非生物阴极配合外加电源回收金属; (C) 用生物阴极作金属转化; (D) 用生物阴极加外加电源作金属转化。
四类生物电化学金属回收工艺的反应机制示意图
这个工艺利用阴极比阳极高的氧化还原电位，将在非生物阴极上的金属直接还原。已有案例的金属包括了Au (III), V (V), Cr (VI),Ag (I), Cu (II), Fe (III)和 Hg (II)。这些还原反应都是热力学上可行的，而且这些金属都能直接作为电子受体，无需外接电源。
第二种工艺需要外加电源来驱动电子从阳极转移到非生物阴极。因为有些金属离子因为氧化还原电位较低，例如Ni2+，不能完成热力学角度的自发反应，这样在外加电源的作用下，阴极上比阳极电位低的金属可以被还原。主要涉及的金属有 Ni (II), Pb (II), Cd (II)和Zn(II)。
第三种机制是用生物阴极来还原金属。有别于细胞将金属离子摄入造成的金属还原的同化作用(Assimilation)，异化金属还原菌(DMRB - dissimilatory metal reducing bacteria)在阴极上将金属氧化物作为呼吸作用的最终电子受体，将位于细胞外膜的还原型细胞色素上积累的电子转移给金属氧化物还原金属。例如正六价的铬通过微生物的代谢作用被还原成无毒的不易迁移的正三价铬。
第四种机制是用生物阴极配合外加电源还原金属。这是因为外加电源不仅使不能自发进行的反应发生，而且可以提高金属离子向阴极转移的速率。例如铬的还原反应，有研究发现通过外加电源能使其反应更快地进行。第三和第四种机制目前只在铬这种重金属的回收上记性了测试，但在其他金属上应该能通过类似的方法实现。
污水中的金属去除和回收已经成为了资源回收领域的重要话题，而新兴的生物电化学技术为其提供了一个效率更高能耗更低的新选择。生物电化学技术已经展现了处理各种不同金属的灵活性。尽管如此，要实现生物电化学技术的工程应用还有许多挑战需要研究和克服。
许多生物电化学研究目前还处于实验室阶段，而且是使用人工合成材料，并不是用实际情况的原材料，如来自污水厂的进水。因此需要更多的实验来验证生物电化学系统在实际情况下的运行表现，例如如何通过控制电势、pH、反应时间等不同参数将不同的目标金属分离出来
要提高回收率和反应速率，需要对反应器构造、材料和系统整合进行优化，解决低浓度和金属混合的实际情况的需求，同时需要对长期运行的表现进行检测
目前对于阴极和金属之间的静电交互作用对金属回收效率的影响还知之甚少，这需要更多的定量分析以加深对其认识
大部分的研究通过使阴极电解液的pH处于一个较低水平来使金属在酸性环境下处于溶解状态，但是这会导致在恒定电位下产氢，使金属的转化率降低，而使用生物阴极有可能会缓解这一问题
大部分研究并没有展示如何将还原的金属从电极中分离出来
生物阴极已经展现了它的良好性能，但是高浓度金属污水会抑制微生物的活性，所以耐固性更好的生物膜系统有待研究
在把特定的生物电化学金属回收工艺应用到中试或工程应用前，需要对其经济成本和潜在生命周期进行分析。不同的污水有不同的成分，了解这些信息必将有助于决策
摘译自 Bioelectrochemical metal recovery from wastewater: A review。原文发表于国际水协会期刊 Water Research。Heming Wang and Zhiyong Jason Ren, Bioelectrochemical metal recovery from wastewater: A review, Water Research 66 (2014 ) 219-232