人工湿地-微生物燃料电池协同修复：钒污染废水高效处理与能量回收优化策略

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Integrated pollutant removal and energy harvest: optimizing vanadium (V) wastewater treatment using CW-MFC technology

本文系统评估了人工湿地-微生物燃料电池（CW-MFC）处理五价钒（V(V)）污染废水的综合性能。研究通过优化碳源类型、COD浓度、初始钒浓度及水生植物种类等关键参数，在最佳条件下实现98.9%的V(V)去除率（初始150 mg/L）和27.45 mW/m2的功率密度。机理分析表明V(V)被还原为易沉淀的V(IV)，微生物群落中电活性菌（如Geobacter）丰度显著提升。该技术为重金属废水修复提供了能源回收型解决方案。

　　

研究亮点

本研究首次系统解析了人工湿地-微生物燃料电池（CW-MFC）在钒污染废水处理中的多重效益：高效去除毒性五价钒（V(V)）的同时实现生物电能捕获。通过碳源筛选、植物优化及工况调控，揭示了V(V)还原动力学机制与微生物群落响应规律，为重金属废水资源化处理提供了新范式。

实验系统构建与运行

如图S1所示，CW-MFC反应器为直径150 mm、高250 mm的玻璃圆柱体，自下而上依次填充粗砾石层（4 cm厚）、阳极层、细砾石层（10 cm厚）及阴极层。阳极置于粗砾石层上方，阴极则嵌入细砾石层顶部。系统以间歇模式运行，通过调控碳源种类、化学需氧量（COD）浓度、V(V)初始浓度及水生植物种类（如Scirpus validus）等变量，评估污染物去除与产电性能的协同效应。

COD去除效能

如图1(a)所示，当以乙酸钠为碳源时，CW-MFC的COD去除率高达88.5±2.9%，显著优于葡萄糖（81.5±2.5%）、柠檬酸（84.8±2.3%）和淀粉（80.4±2.8%）（p < 0.05）。这一结果印证了简单碳源更易被微生物代谢利用的规律，为系统能量转化效率优化提供了关键依据。

结论

CW-MFC技术在处理V(V)污染废水方面表现出色，同步实现了有机物降解、钒去除及生物产电三重目标。在四种碳源中，乙酸钠因其分子结构简单最易被微生物利用，从而产生最高电能输出。当进水COD浓度提升至300 mg/L时，产电性能达到峰值，但过量碳源会引发异化还原竞争抑制V(V)还原。Scirpus validus作为水生植物时，系统对V(V)的去除动力学符合一级反应模型，速率常数达0.0723 h^-1。X射线光电子能谱（XPS）证实V(V)被还原为更易沉淀的V(IV)，循环伏安法（CV）则检测到阴极在0.30 V（vs. RHE）处出现明显还原峰。微生物群落分析显示，电活性菌属Geobacter在阳极的相对丰度增加0.22%，而参与重金属还原的Rhodobacter提升13.82%，表明适量V(V)添加可激活关键功能菌群。该技术为重金属废水修复与能源回收提供了高效可行的解决方案。