双室微生物燃料电池高效处理洗煤废水同步产电的污染物去除机制与性能优化研究

针对洗煤废水(CWE)污染重、处理难的问题，研究人员创新性采用铂碳布(Pt-CC)电极双室微生物燃料电池(DMFC)，通过调控有机负荷(OL)实现污染物高效去除与电能联产。结果表明在2 g COD/L d最优OL下，总化学需氧量(TCOD)、可溶性COD(SCOD)和总悬浮物(TSS)去除率分别达87%/90%/84%，同步获得340 mW/m2功率密度和48%库仑效率，为煤化工废水处理提供了绿色解决方案。

　　

煤炭作为全球主要能源之一，其洗选过程产生的洗煤废水(CWE)含有高浓度有机污染物、重金属和悬浮物，传统处理方法存在能耗高、二次污染等问题。这类废水若直接排放会导致水体富营养化、土壤重金属累积等环境风险，而现有技术如混凝沉淀、反渗透等又面临化学药剂依赖和运行成本高的困境。在此背景下，兼具废水处理和能源回收功能的双室微生物燃料电池(DMFC)技术展现出独特优势，但针对高复杂性CWE的应用研究仍属空白。

研究人员通过构建铂碳布(Pt-CC)电极DMFC系统，创新性地将洗煤废水处理与生物产电相结合。实验采用250 mL双室反应器，以厌氧消化污泥为接种源，通过调控0.5-4 g COD/L d的有机负荷(OL)，系统考察了污染物去除与产电性能的关联机制。关键技术包括：(1)采用Nafion 117质子交换膜构建H型反应器；(2)使用磷酸盐缓冲液维持阴极室pH稳定；(3)通过极化曲线测定评估功率密度(PD)和电流密度(CD)；(4)应用库仑效率(CE)量化电子回收率。

研究结果揭示：

1. 有机负荷优化：在2 g COD/L d最佳OL条件下，系统实现TCOD 87%、SCOD 90%、TSS 84%的去除率，归因于该负荷下微生物群落与基质的平衡代谢。

2. 产电性能：同步获得340 mW/m²(8.10 mW/m³)的峰值功率密度和410 mA/m²电流密度，得益于Pt-CC电极的高导电性和有效质子传递。

3. 电子转移效率：最大库仑效率达48%，表明近半数降解电子被有效捕获，但高OL下效率下降提示存在底物抑制现象。

4. 系统稳定性：150天连续运行证实DMFC处理CWE的长期可行性，但需注意H型构架对悬浮物去除的限制作用。

这项发表在《Desalination and Water Treatment》的研究具有多重意义：首次验证了Pt-CC电极DMFC处理实际洗煤废水的可行性；建立了OL与系统性能的定量关系，为工程放大提供参数依据；开创了"以废治废"的新模式，通过同步产电抵消处理能耗。未来通过电极材料改性、智能监控系统集成，有望推动该技术走向工业化应用，为煤化工行业绿色转型提供关键技术支撑。