CN110550743A - 一种基于微生物电化学原理强化污染物降解的调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于微生物电化学原理强化有机污染物降解的电化学调控方法。基于微生物电化学原理，提出了一种水处理过程中强化污染物去除过程,提高去除速率的调控方法。通过梯级降低外阻、外加电压、或恒电位驯化系统菌群，不断调控电化学参数在电极间获得较高的电流密度，强化胞外电子传递的过程，进而调节外部条件(外电阻、电压或电极电位)使系统在接近最大稳定电流状态下运行，从而提高污染物的降解速率，强化污染物去除，使得大部分COD在微生物电化学系统中被微生物代谢矿化，从而降低对后续水处理工艺的负荷，降低运行成本。

Description

一种基于微生物电化学原理强化污染物降解的调控方法
技术领域
本发明属于环境保护与资源综合水污染防治领域，涉及一种基于微生物电化学原理强化污染物降解的调控方法。
背景技术
微生物电化学系统(Microbial Electrochemical System,MES)是一种能利用微生物的催化作用将有机污染物中的化学能转化为电能的装置，作为电化学和微生物学结合的典型系统，其具有运行成本低及同步实现污水能源化等优势，被认为是潜在的新型水处理技术。微生物电化学系统包括原电池型微生物电化学系统即微生物燃料电池(Microbialfuel cell，MFC)和电解池型微生物电化学系统即微生物电解池(Microbial electrolysiscell，MEC)。在MFC系统中，无需外加电能，但需要外加电阻形成回路，利用微生物催化用作自发降解有机物同时产生电子和质子。电子到达阳极后通过外电路负载到达阴极与电子受体结合，质子和溶液中其他离子通过定向移动完成电池内的电流传递，产生电流，实现化学能向电能的转化；而在MEC系统中，需要在阴阳极两端外加电压，以外部输入的电能为驱动，利用微生物催化作用降解废水中的有机物同时来产生电子和质子。电子到达阳极后通过在外电路电源提供的电势差作用下到达阴极与电子受体结合，质子和溶液中其他离子通过定向移动完成电池内的电流传递，产生电流。目前，如何在降低成本的基础上实现该技术的扩大化、应用化是研究领域关注的热点。在大多数MES系统研究中，最大(体积)功率密度已被作为评估系统效能的主要因素，然而着眼于该技术的产能效能只是该技术优势的一个方面。微生物电化学系统的另一优势在与在一定的电化学作用下能够刺激电极生物膜的代谢，从而提高污染物降解的速率。基于此原理，本专利提出了一种基于微生物电化学原理的强化有机污染物降解的污水处理新工艺新方法。
在有机物降解过程中，微生物组成和代谢是影响系统效能的核心，多以生物膜的形式存在并发挥作用。而电化学因素作为一种相对可调控的参数，目前已作为调控微生物代谢过程的手段。在MES系统中，通过电化学调控方法，可强化有机物的去除，建立高效的调控机制。启动阶段电流密度的逐步提高，使反应器不断地适应高电流密度。实际上，较小的电阻使MES菌群参与电极氧化过程所获得的潜在能量高于通过底物水平磷酸化(发酵)过程所能够获得的能量，而外电压或恒电极电位的作用会提高胞外电子传递菌群所获得能量的大小，从而加速胞外电子传递功能菌群成为优势菌群。电极菌群的催化作用，MES反应器运行处于最大化电流密度的工作模式，均有利于提高总体COD降解速率。污染物去除速率的提高能够降低污水停留时间，减少反应器构筑成本和后处理的运行成本，从而为MES系统提供更为有利的运行模式。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供一种基于微生物电化学原理强化污染物降解的调控方法。
本发明的技术方案是一种基于微生物电化学原理强化污染物降解的调控方法，包括如下步骤：
1)微生物电化学强化水处理系统的组成；
2)电极的电化学功能菌群富集：通过梯级降低外阻、外加电压、或恒电位驯化系统菌群，不断调控电化学参数在电极间获得较高的电流密度，强化胞外电子传递的过程，进而调节外部条件-外电阻、电压或电极电位,使系统在接近最大稳定电流状态下运行；
3)调控电流密度强化有机物降解。
所述步骤1)微生物电化学强化水处理系统，包括反应器、阳极和阴极；
所述反应器为单室、双室或模块化堆栈体反应器；
所述阳极为碳基电极，如碳纤维刷、碳毡、碳布、碳纸、石墨纤维丝、石墨板、石墨粒、石墨纸、网状玻璃碳等；金属基电极如金属丝/刷/板、经过表面处理的金属及其合金材质的电极；复合电极，上述电极材质复合使用，如经过预处理的碳基材料中的一种或数种负载与金属基材质表面的电极；所述阴极为与阳极相同的负载生物的生物催化阴极或不依赖生物催化的电极，包括碳基电极，金属及其合金电极、复合电极或负载化学催化剂的化学催化阴极，所述催化剂包括碳基催化剂、活性炭粉催化剂、超级电容碳粉催化剂、铂碳粉催化剂、铂基催化剂、金属氧化物/配合物/螯合物催化剂中的一种或数种。
所述步骤1)微生物电化学强化水处理系统可设置分隔介质层；分隔介质分隔阴阳两室，所述分隔介质为包括离子交换膜、双极膜、微滤膜、超滤膜或大孔径多孔间隔材料在内的导通两极室间的离子平衡且维持阴阳极室独立环境的材料中的一种或数种；
所述离子交换膜包括质子交换膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜；
所述大孔径多孔间隔材料包括多孔陶瓷或多孔烧结聚氯乙烯等自支撑大孔径多孔间隔材料或多孔碳基材料(如石墨毡或活性炭毡)、纺织网布(如筛绢、无纺布、工业滤布、尼龙网、聚酯筛网或聚酰胺筛网)或海绵(如聚氨酯海绵或三聚氰胺海绵)等柔性大孔径多孔间隔材料中的的一种或数种。
所述步骤2)具体为：通过梯级降低外阻富集电极的电化学功能菌群：
原电池型微生物电化学强化水处理系统的阴阳极两端首先在较大的外电阻下启动，待阴阳极两端采集到路端电压并上升至稳定后，周期性降低阴阳极两端的电阻，在此过程中电极的电化学功能菌群逐渐驯化；
可采用连续流运行也可以采用序批式运行，首个较大电阻的运行时间较长一般可为(1-60天)，后续逐级降低电阻：每个电阻的运行时间在连续流模式下短则1-24小时，长可至1-50个水力停留时间，在序批式运行模式下可以为1-50个运行周期；
逐级降低电阻过程中观察系统所能达到的稳定的最大电流密度，对应此时的电阻值即为后续原电池型微生物电化学系统强化污染物降解时所用的目标电阻值。
所述步骤2)具体为：通过外加电压富集电极的电化学功能菌群：电解池型微生物电化学强化水处理系统的阴阳极两端施加电压0.1-2.0 V，阴阳极两端首先在选择较适中的外电压下启动0.2-1.2V，首个恒压运行时间较长一般可为1-60d，随后在电压区间内以一定步长0.01-1.0V/次改变施加的电压值，直至获得该系统的较大稳定电流，对应此时的电压值即为后续电解池型微生物电化学系统强化污染物降解时所用的目标电压值。
所述步骤2)具体为：通过施加恒电位富集电极的电化学功能菌群：
用于不限原电池或电解池类型的微生物电化学强化水处理系统，需增设参比电极用外置恒电位仪调控阳极或阴极生物膜的电位。电极生物膜的工作电位区间可在-1.0至+1.0 V范围内的某一电位值(相对于标准氢电极)，待电流稳定后，可以在一定范围内调节电位获得相对较高的电流密度。对阳极微生物在-1.0～+1.0V范围内上调运行电位可以提高电流密度，对阴极微生物在-1.0～+1.0V范围内下调运行电位可以提高电流密度；
获得接近最大电流密度的相对较低(对阳极而言)或相对较高(对阴极而言)的工作电位即为后续恒电位运行的微生物电化学系统强化污染物降解时所用的目标工作电位值。
所述步骤3)具体为：原电池型微生物电化学强化水处理系统在驯化富集过程中所确定的目标电阻值条件下运行，获得较高的电流密度，经过1-60天或1-50个序批式运行周期的稳定运行后，在目标电阻值附近调节外电阻从而获得更精确的最大稳定电流，或在该目标电阻值下恒电阻运行。
所述步骤3)具体为：电解池型微生物电化学强化水处理系统在驯化富集过程中所确定的目标电压值条件下运行，获得较高的电流密度，经过1-60天或1-50个序批式运行周期的稳定运行后，在目标电压值附近调节外加电压的大小从而获得更精确的最大稳定电流，或在该目标电压下恒电压持续运行。
所述步骤3)具体为：恒电位运行的微生物电化学强化水处理系统在驯化富集过程中所确定的目标工作电位值条件下运行，获得较高的电流密度，经过1-60天或1-50个序批式运行周期的稳定运行后，在目标电位值附近调节电位从而获得更精确的最大稳定电流，或在该目标电位下恒电位持续运行。
有益效果
基于MES原理强化污染物降解的调控方法，该方法能够利用微生物电化学作用，通过在电极间获得高电流密度，维持最大化电流密度工作模式，从而实现系统降解速率的提高，强化污染物的去除，降低了污水的停留时间，减少反应器构筑成本和后处理的运行成本，为MES系统提供更有利的运行模式。
本发明为了强化MES系统的污染物降解，设计了一系列调控方法，本方法可提高微生物电化学原理应用的优势。
附图说明
图1原电池型微生物电化学强化水处理系统示意图。
图2电解池型微生物电化学强化水处理系统示意图。
图3恒电位微生物电化学强化水处理系统示意图。
图4基于微生物电化学原理强化有机污染物降解的电化学调控方法示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
1.微生物电化学强化水处理系统的组成：
微生物电化学强化水处理系统，必要结构包括反应器、阳极和阴极，所述反应器为单室、双室或模块化堆栈体反应器，用以容纳待处理污水；碳纤维刷、碳毡、碳布、碳纸、石墨纤维丝、石墨板、石墨粒、石墨纸、网状玻璃碳等；或金属基电极，包括、金属丝/板/刷、经过表面处理的金属及其合金材质的电极；复合电极，如丝刷或经过预处理的碳基材料中的一种或数种复合在金属基表面的电极；所述阴极可为，与阳极相同的负载生物的生物催化阴极或不依赖生物催化的电极(碳基电极，金属及其合金电极、复合电极等)或负载了化学催化剂(如碳基催化剂、活性炭粉催化剂、超级电容碳粉催化剂、铂碳粉催化剂、铂基催化剂、金属氧化物/配合物/螯合物催化剂等材质中的一种或数种)的化学催化阴极(其电极集流基体材料可以是金属、合金或碳材料)。
微生物电化学强化水处理系统还可以具有分隔介质层。分隔介质可以分隔阴阳两室，所述分隔介质可以是离子交换膜(包括质子交换膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜)、双极膜、微滤膜、超滤膜或大孔径多孔间隔材料等可以导通两极室间的离子平衡且维持阴阳极室独立环境的材料中的一种或数种。所述多孔间隔材料包括多孔陶瓷或多孔烧结聚氯乙烯等自支撑大孔径多孔间隔材料或多孔碳基材料(如石墨毡或活性炭毡)、纺织网布(如筛绢、无纺布、工业滤布、尼龙网、聚酯筛网或聚酰胺筛网)或海绵(如聚氨酯海绵或三聚氰胺海绵)等柔性大孔径多孔间隔材料中的一种或数种。
2.电极的电化学功能菌群富集：
2.1通过梯级降低外阻富集电极的电化学功能菌群：
原电池型微生物电化学强化水处理系统(如图1)，阴阳极两端首先在较大的外电阻下启动，待阴阳极两端采集到路端电压并上升至稳定后，周期性降低阴阳极两端的电阻。在此过程中电极的电化学功能菌群逐渐驯化。该过程可以采用连续流运行也可以采用序批式运行，首个较大电阻的运行时间较长一般可为(1-60天)，后续逐级降低电阻，每个电阻的运行时间在连续流模式下短则1-24小时，长可至1-50个水力停留时间，在序批式运行模式下可以为1-50个运行周期。逐级降低电阻过程中观察系统所能达到的稳定的最大电流密度，对应此时的电阻值即为后续原电池型微生物电化学系统强化污染物降解时所用的目标电阻值。
2.2外加电压富集电极的电化学功能菌群：
电解池型微生物电化学强化水处理系统(如图2)，阴阳极两端施加电压(0.1-2.0V)，阴阳极两端首先在选择较适中的外电压下启动(0.2-1.2V)，首个恒压运行时间较长一般可为(1-60d)，随后在电压区间内以一定步长(0.01-1.0V每次)改变施加的电压值，直至获得该系统的较大稳定电流，对应此时的电压值即为后续电解池型微生物电化学系统强化污染物降解时所用的目标电压值。
2.3通过施加恒电位富集电极的电化学功能菌群
可用于不限原电池或电解池类型的微生物电化学强化水处理系统，需要增设参比电极用外置恒电位仪调控阳极或阴极生物膜的电位(如图3)。电极生物膜的工作电位区间可在-1.0至+1.0V范围内的某一电位值(相对于标准氢电极)。恒电位培养能够加速富集电极上的电化学活性功能微生物。恒电位培养后，可以在一定范围内调节电位获得相对较高的电流密度。对阳极微生物在一定范围内(-1.0～+1.0V)上调运行电位可以提高电流密度，对阴极微生物在一定范围内(-1.0～+1.0V)下调运行电位可以提高电流密度。获得接近最大电流密度的相对较低(对阳极而言)或相对较高(对阴极而言)的工作电位即为后续恒电位运行的微生物电化学系统强化污染物降解时所用的目标工作电位值。
3.调控电流密度强化有机物降解：
3.1原电池型微生物电化学强化水处理系统
在驯化富集(2.1)过程中所确定的目标电阻值条件下运行，获得较高的电流密度，经过一段时间(1-60天或1-50个序批式运行周期)的稳定运行后，可在目标电阻值附近调节外电阻从而获得更精确的最大稳定电流，也可以在该目标电阻值下恒电阻运行。在这一条件下，原电池型微生物电化学强化水处理系统接近运行在最大稳定电流运行状态，从而提高污染物的降解速率，强化污染物去除。
3.2电解池型微生物电化学强化水处理系统
在驯化富集(2.2)过程中所确定的目标电压值条件下运行，获得较高的电流密度，经过一段时间(1-60天或1-50个序批式运行周期)的稳定运行后，可在目标电压值附近调节外加电压的大小从而获得更精确的最大稳定电流，也可以在该目标电压下恒电压持续运行。在这一条件下，电解池型微生物电化学强化水处理系统接近运行在最大稳定电流运行状态，从而提高污染物的降解速率，强化污染物去除。
3.3恒电位运行的微生物电化学强化水处理系统
在驯化富集(2.3)过程中所确定的目标工作电位值条件下运行，获得较高的电流密度，经过一段时间(1-60天或1-50个序批式运行周期)的稳定运行后，可在目标电位值附近调节电位从而获得更精确的最大稳定电流，也可以在该目标电位下恒电压持续运行。在这一条件下，恒电位运行的微生物电化学强化水处理系统接近运行在最大稳定电流运行状态，从而提高污染物的降解速率，强化污染物去除。
实施例1：
1.构建电极分置插入式MFC水处理强化系统：
由透明聚碳酸酯板加工制成MFC模块的外部池体，其空床容积(内部无任何电极或支撑材料时)为2L(22cm长，7cm宽，13cm高)。阴极模块居中放置，双侧均安装有阴极，两列阳极模块位于阴极模块的两侧，并分别与对应一侧的阴极模块对应连接。阳极材料为经过450℃热处理30min的碳刷，直径为碳纤维部分长度为12cm，总长度为15cm。阴极为不锈钢辊压阴极，其基底为304型60目不锈钢网，催化层为活性炭粉末。
2.梯级降低外阻富集电极的电化学功能菌群：
MFC反应器在较大外阻1000Ω下启动，第一个周期持续120h(0-120h)，峰值电压值为141±10mV；第二个周期持续90h(121-210h)，峰值电压为597±30mV，已经可以产生较高电压输出；第三个周期持续70h(210-280h)，峰值电压为633±2mV。第四周期起逐级降低内阻(依次为500、200、100、50、20、10、8、7、6和5Ω)，同时反应器的周期时间也相应下调。从1000Ω时的70h逐步降低到外阻10Ω时的25.5±0.5h，继续降低内阻到5Ω左右时(8、7、6和5Ω)周期时间稳定在23-25h之间。随着外阻从1000Ω逐级降低内阻到5Ω，反应器各电阻下的稳定电流从0.6mA逐渐升高至49±5mA。反应器结束5Ω外阻运行，启动期结束。对阳极碳纤维刷阵列以0.1mV/s为扫速、乙酸钠掺混的污水为电极液进行循环伏安扫描，获得稳定的阳极电流输出和电位曲线，阳极菌群富集成功。
3.基于微生物电化学原理的污染物降解强化：
MFC反应器以间歇流模式在目标电阻值下稳定运行1个月后，设定水力停留时间为8h,连续流运行条件下在目标电阻值附近调控外电阻(120Ω、20Ω和1.5Ω)以获得更精确的最大稳定电流。
在开路状态下，MFC的COD去除基本依靠从阴极扩散进入反应器的氧气，COD去除速率为0.42±0.01kgCOD/d·m3。在120Ω(0.89±0.02A/m2)降低到20Ω(1.6±0.2A/m2)时，COD去除速率从0.70±0.04kgCOD/d·m3提高至0.81±0.01kgCOD/d·m3，当外阻继续降低至1.5Ω(1.7±0.2A/m2)时，COD去除速率稳定在0.82kgCOD/d·m3左右。MFC水处理强化系统在接近最大稳定电流运行状态下工作，可提高污染物的降解速率，强化污染物去除。
实施例2：
1.构建电极分置插入式MFC水处理强化系统：
由透明聚碳酸酯板加工制成MFC模块的外部池体，其空床容积(内部无任何电极或支撑材料时)为2L(22cm长，7cm宽，13cm高)。阴极模块居中放置，双侧均安装有阴极，两列阳极模块位于阴极模块的两侧，并分别与对应一侧的阴极模块对应连接。阳极材料为经过450℃热处理30min的碳刷，直径为碳纤维部分长度为12cm，总长度为15cm。阴极为不锈钢辊压阴极，其基底为304型60目不锈钢网，催化层为活性炭粉末。
2.梯级降低外阻富集电化学功能菌群：
MFC反应器在较大外阻1000Ω下启动，第一个周期持续120h(0-120h)，峰值电压值为141±10mV；第二个周期持续90h(121-210h)，峰值电压为597±30mV，已经可以产生较高电压输出；第三个周期持续70h(210-280h)，峰值电压为633±2mV。第四周期起逐级降低内阻(依次为500、200、100、50、20、10、8、7、6和5Ω)，同时，反应器的周期时间也相应下调。从1000Ω时的70h逐步降低到外阻10Ω时的25.5±0.5h，继续降低内阻到5Ω左右(8、7、6和5Ω)周期时间稳定在23-25h之间。随着外阻从1000Ω逐级降低内阻到5Ω，反应器各电阻下的稳定电流从0.6mA逐渐升高至49±5mA。反应器结束5Ω外阻运行，启动期结束。对阳极碳纤维刷阵列以0.1mV/s为扫速、乙酸钠掺混的污水为电极液进行循环伏安扫描，获得稳定的阳极电流输出和电位曲线，阳极菌群富集成功。
3.基于微生物电化学原理的污染物降解强化：
MFC反应器以间歇流模式在目标电阻值下稳定运行1个月后，在目标电阻值附近调控外电阻(60Ω、30Ω和20Ω)以获得更精确的最大稳定电流。通过线性拟合可得不同电流密度下MFC系统中COD降解过程的反应速率常数，其代表有机物降解速率。
拟合方法：基于MFC反应器水力停留时间为0h时无COD去除的合理假设，将各电流密度(外阻阻值)下MFC反应器在停留时间为0、0.5、2.0、4.0和6.0h时所获得的单模块MFC反应器进、出水COD数据进行一级反应动力学拟合(式5-1)，并使用MicrosoftExcelProfessional Plus 2010中的数据分析-回归分析功能进行线性拟合可得不同电流密度下的反应速率常数。
Ln(CODt/COD0)＝-kjt (5-1)
其中：t——MFC水力停留时间(h)；
kj——不同MFC电流密度条件下的反应速率常数(h–1)；
COD0——进水COD(mg L–1)；
COD0——进水COD(mg L–1)。
不同电阻下平均电流与总COD降解过程反应速率常数拟合值见下表：
综合来看，MFC系统中接近于最大稳定电流下运行时能够显著的提高总体COD降解速率。在本研究中最大电流密度为1.61±0.13A/m2，此时的COD降解反应速率常数为0.157±0.010/h，高于60Ω(1.077±0.026A/m2)条件下的0.137±0.007/h和30Ω(1.533±0.043A/m2)条件下的0.144±0.008/h。提高反应速率降低污水停留时间，减少反应器构筑成本和运行成本或许是比回收电能更为有利的运行模式。
实施例3：
1.构建三电极单室MEC水处理强化系统：
由透明材质有机玻璃加工制成的单室反应器，其空床体积为28mL。有机玻璃立方体腔体(4cm×4cm×4cm)中部构建直径为3cm的圆柱形空腔，用以容纳待处理污水；阳极材料为石墨片，直径为38mm，厚度为3mm，阴极材料为直径为38mm的双层60目不锈钢网，参比电极均为甘汞电极，外电路依靠钛丝连接。
2.施加恒电位富集电极的电化学功能菌群
MEC反应器在阳极恒电位为0.4V条件下启动，恒压运行周期均为24h，启动过程中每个周期的峰值电流逐渐增大，第一个周期结束，峰值电流密度可达到0.08A/m2，在接下来的周期内，峰值电流密度可达到0.09A/m2(第二周期)、0.12A/m2(第三周期)、0.2A/m2(第四周期)、0.93A/m2(第五周期)、2.0A/m2(第六周期)、2.4A/m2(第七周期)、2.6A/m2(第八周期)、2.8A/m2(第九周期)，已经可以产生较高的电流输出，之后的周期内，峰值电流密度相对稳定，稳定在2.8±0.2A/m2，反应器启动期结束。恒电位培养后，逐渐降低阳极电位(0.2V、0V、-0.1V、-0.2V、OCV),当阳极电位为0.4、0.2V和0V时，平均电流密度为2.7±0.2A/m2，进一步降低阳极电位至-0.1V和-0.2V时，系统的平均电流密度显著降低，分别为1.80±0.10A/m2和0.77±0.07A/m2。所以0V为获得接近最大电流密度的相对较低的目标工作电位。
3.基于微生物电化学原理的污染物降解强化：
提高进水COD值，由启动期的1000mg/L提高至2000mg/L，以保证底物浓度。MEC反应器在目标工作电位0V条件下稳定运行后，以一周期(24h)内COD去除率来代表COD去除速率。MEC反应器的COD去除速率由一个周期末出水COD和进水COD的差值计算。当恒电位在0V时，系统的平均电流密度为1.98±0.05A/m2，COD的去除率为75±3％。而在恒电位-0.2V条件下(平均电流密度为0.77±0.07A/m2)运行时，系统的COD的去除率为60±7％；开路条件下运行时，其COD去除基本不受电流的刺激作用，COD的去除率仅为45±1％。综合来看，恒电位0V运行的微生物电化学强化水处理系统接近运行在最大稳定电流运行状态，提高了污染物的降解速率。

Claims (9)

1.一种基于微生物电化学原理强化污染物降解的调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)微生物电化学强化水处理系统的组成；
2)电极的电化学功能菌群富集：通过梯级降低外阻、外加电压、或恒电位驯化系统菌群，不断调控电化学参数在电极间获得较高的电流密度，强化胞外电子传递的过程，进而调节外部条件-外电阻、电压或电极电位,使系统在接近最大稳定电流状态下运行；
3)调控电流密度强化有机物降解。
2.根据权利要求1所述的一种基于微生物电化学原理强化污染物降解的调控方法，其特征在于，所述步骤1)微生物电化学强化水处理系统，包括反应器、阳极和阴极；
所述反应器为单室、双室或模块化堆栈体反应器；
所述阳极为碳基电极，如碳纤维刷、碳毡、碳布、碳纸、石墨纤维丝、石墨板、石墨粒、石墨纸、网状玻璃碳等；金属基电极如金属丝/刷/板、经过表面处理的金属及其合金材质的电极；复合电极，上述电极材质复合使用，如经过预处理的碳基材料中的一种或数种负载与金属基材质表面的电极；所述阴极为与阳极相同的负载生物的生物催化阴极或不依赖生物催化的电极，包括碳基电极，金属及其合金电极、复合电极或负载化学催化剂的化学催化阴极，所述催化剂包括碳基催化剂、活性炭粉催化剂、超级电容碳粉催化剂、铂碳粉催化剂、铂基催化剂、金属氧化物/配合物/螯合物催化剂中的一种或数种。
3.根据权利要求1所述的一种基于微生物电化学原理强化污染物降解的调控方法，其特征在于，所述步骤1)微生物电化学强化水处理系统可设置分隔介质层；分隔介质分隔阴阳两室，所述分隔介质为包括离子交换膜、双极膜、微滤膜、超滤膜或大孔径多孔间隔材料在内的导通两极室间的离子平衡且维持阴阳极室独立环境的材料中的一种或数种；
所述离子交换膜包括质子交换膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜。
4.根据权利要求1所述的一种基于微生物电化学原理强化污染物降解的调控方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：通过梯级降低外阻富集电极的电化学功能菌群：
原电池型微生物电化学强化水处理系统的阴阳极两端首先在较大的外电阻下启动，待阴阳极两端采集到路端电压并上升至稳定后，周期性降低阴阳极两端的电阻，在此过程中电极的电化学功能菌群逐渐驯化；
可采用连续流运行也可以采用序批式运行，首个较大电阻的运行时间较长一般可为1-60天，后续逐级降低电阻：每个电阻的运行时间在连续流模式下短则1-24小时，长可至1-50个水力停留时间，在序批式运行模式下可以为1-50个运行周期；
逐级降低电阻过程中观察系统所能达到的稳定的最大电流密度，对应此时的电阻值即为后续原电池型微生物电化学系统强化污染物降解时所用的目标电阻值。
5.根据权利要求1所述的一种基于微生物电化学原理强化污染物降解的调控方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：通过外加电压富集电极的电化学功能菌群：电解池型微生物电化学强化水处理系统的阴阳极两端施加电压0.1-2.0V，阴阳极两端首先在选择较适中的外电压下启动0.2-1.2V，首个恒压运行时间较长一般可为1-60d，随后在电压区间内以一定步长0.01-1.0V/次改变施加的电压值，直至获得该系统的较大稳定电流，对应此时的电压值即为后续电解池型微生物电化学系统强化污染物降解时所用的目标电压值。
6.根据权利要求1所述的一种基于微生物电化学原理强化污染物降解的调控方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：通过施加恒电位富集电极的电化学功能菌群：
用于不限原电池或电解池类型的微生物电化学强化水处理系统，需增设参比电极用外置恒电位仪调控阳极或阴极生物膜的电位。电极生物膜的工作电位区间可在-1.0至+1.0V范围内的某一电位值(相对于标准氢电极)，待电流稳定后，可以在一定范围内调节电位获得相对较高的电流密度。对阳极微生物在-1.0～+1.0V范围内上调运行电位可以提高电流密度，对阴极微生物在-1.0～+1.0V范围内下调运行电位可以提高电流密度；
获得接近最大电流密度的相对较低(对阳极而言)或相对较高(对阴极而言)的工作电位即为后续恒电位运行的微生物电化学系统强化污染物降解时所用的目标工作电位值。
7.根据权利要求1所述的一种基于微生物电化学原理强化污染物降解的调控方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：原电池型微生物电化学强化水处理系统在驯化富集过程中所确定的目标电阻值条件下运行，获得较高的电流密度，经过1-60天或1-50个序批式运行周期的稳定运行后，在目标电阻值附近调节外电阻从而获得更精确的最大稳定电流，或在该目标电阻值下恒电阻运行。
8.根据权利要求1所述的一种基于微生物电化学原理强化污染物降解的调控方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：电解池型微生物电化学强化水处理系统在驯化富集过程中所确定的目标电压值条件下运行，获得较高的电流密度，经过1-60天或1-50个序批式运行周期的稳定运行后，在目标电压值附近调节外加电压的大小从而获得更精确的最大稳定电流，或在该目标电压下恒电压持续运行。
9.根据权利要求1所述的一种基于微生物电化学原理强化污染物降解的调控方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：恒电位运行的微生物电化学强化水处理系统在驯化富集过程中所确定的目标工作电位值条件下运行，获得较高的电流密度，经过1-60天或1-50个序批式运行周期的稳定运行后，在目标电位值附近调节电位从而获得更精确的最大稳定电流，或在该目标电位下恒电位持续运行。
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