综述：浮式处理湿地结合微生物燃料电池用于污染物去除、能源利用和营养物回收的可持续技术综述

这篇综述系统评述了浮式处理湿地(FTW)与微生物燃料电池(MFC)协同处理废水的创新技术，重点探讨了植物-微生物联合系统通过生物吸附(biosorption)、生物电化学氧化还原等机制实现污染物降解与生物电能转化的双重功效。该技术通过电活性生物膜(EABs)介导的电子传递，将有机质转化为电能(功率密度达38.8 mW/m3 )，同时有效去除COD(93%)、TN(88.35%)等污染物，为联合国可持续发展目标(SDG6/7)提供了自然解决方案(NBS)。

　　

浮式处理湿地与微生物燃料电池的协同效应

1. 引言：技术原理与发展现状
浮式处理湿地(FTW)与微生物燃料电池(MFC)的整合开创了废水处理新范式。该系统通过水生植物(如香蒲、芦苇)根系形成生物滤网，结合电活性微生物(如Geobacter)的氧化还原反应，实现污染物降解与电能生成的双重目标。Headley和Tanner(2012)首次提出FTW概念，而Pavlineri等(2017)将其发展为浮动挺水植物处理湿地(FEMTWs)，通过植物根系分泌的有机物质驱动MFC阳极反应，产生高达107.6 mA/m³
的电流密度。

2. 系统构成与工作机制
FTW-MFC系统包含三大核心组件：

• 植物模块：优选Canna indica、Phragmites australis等高效富集植物，其根系形成三维生物膜载体，通过生物积累(bioaccumulation)去除重金属
• 电极系统：石墨阳极氧化有机物(如C₆
  H₁₂
  O₆
  →6CO₂
  +24H⁺
  +24e^-
  )，铁氧化物改性阴极促进氮转化(TN去除负荷达1.86 g/(m²
  ·d))
• 微生物群落：Proteobacteria、Geobacter等电活性菌(EAB)主导电子传递，Zoogloea等脱氮菌协同处理

3. 污染物去除网络
系统通过多机制协同作用：

• 植物吸收：Phragmites对Pb、As的去除率分别达98%和79%
• 微生物代谢：硝化细菌将NH₄
  ⁺
  转化为NO₃
  ^-
  ，反硝化菌完成脱氮
• 电化学氧化：阳极室BOD去除率达91%，耦合阴极氧还原(6O₂
  +24H⁺
  +24e^-
  →12H₂
  O)

4. 性能优化关键

• 电极设计：碳纤维-不锈钢复合电极使功率密度提升至563 mW/m²

• 植物配置：混合种植Typha latifolia与Iris pseudacorus可使电流输出提高35%

• 水力参数：200Ω外电阻下系统效率最佳，COD去除率提升至88.6%

5. 应用前景与挑战
该技术已成功处理炼油废水(TPH去除率96%)、养猪场氨氮废水(NH₄
⁺
去除率92.6%)等复杂污水。但大规模应用仍面临电极结垢、甲烷生成竞争等问题。未来可通过纳米材料修饰电极(如Fe₃
O₄
@C阴极)和植物基因改造进一步提升系统稳定性，推动其在水生态修复与分布式能源领域的应用。