电活性生物膜增强微生物电解技术用于污泥能源转化

《World Journal of Microbiology and Biotechnology》：Electroactive biofilm enhanced microbial electrolysis for sewage sludge-to-energy conversion

双室微生物电解池（MEC）通过碳布电极、Nafion-117膜和E. coli生物催化体系，成功将高COD（14,843 mg/L）污泥降解至170 mg/L，实现最大电流18.03 mA、氢气产量24.34 mL/gCOD，功率密度达261,037 mA/m2。研究表明，优化COD负荷至2,443 mg/L时，COD去除效率提升至98.5%，同时电极表面生物膜厚度增至100 μm，电子转移效率提高89.5%。该技术通过工程化E. coli增强代谢活性与电子传递，并验证了电极材料与反应器设计对性能的关键影响，为可持续能源与废水处理协同提供新方案。

　　在当今社会，随着人口增长和城市化进程加快，污水污泥的产生量急剧上升，这对生态环境构成了重大挑战。污水污泥中含有大量的有机物，具有较高的能量密度，因此将其转化为可再生能源成为一项重要的研究方向。本文介绍了一种使用碳布电极、Nafion-117膜和大肠杆菌作为生物催化剂的双室微生物电解池（MEC）系统，通过处理污水污泥，实现了高效的有机物降解和电能回收。研究结果表明，该系统在运行期间能够将初始化学需氧量（COD）从14,843±350 mg/L降至约170±12 mg/L，同时实现了高达89.5%的电极体积利用率，以及最大电流输出为18.03 mA，氢气产量为24.34±1.3 mL，在生物质浓度为13.5±1.1 g/L的情况下，系统还能达到37,000 mA/m2的功率密度。这些成果不仅展示了生物电催化剂在提升MEC性能方面的潜力，还强调了优化污水污泥底物浓度对于最大化电能生成和降低污泥生物质环境负担的重要性。

污水污泥的处理和利用是实现可持续发展的重要环节。传统的处理方式如作为生物肥料或填埋处理，虽然在一定程度上缓解了环境压力，但往往难以满足更广泛的可持续发展目标。相比之下，微生物电解池（MEC）作为一种新兴的生物电化学技术，能够通过微生物的代谢活动将有机物转化为电能，提供了一种更加环保且高效的解决方案。MEC系统通过利用生物电催化剂，将有机物氧化并释放电子，这些电子通过电极传递，从而产生电流和电压。研究发现，通过优化电极材料、微生物生长条件和反应器结构，可以显著提升MEC的性能。例如，研究中提到的双室MEC系统，不仅实现了高效的电能产出，还展示了对有机物的高效降解能力，这对于废水处理和可再生能源生产具有重要意义。

研究还探讨了污水污泥中有机物的降解过程与MEC性能之间的关系。通过使用大肠杆菌作为生物催化剂，系统在处理过程中表现出较高的COD去除效率，达到98.5%。这表明，通过选择合适的微生物并优化其生长环境，可以显著提高MEC的处理能力和电能生成效率。此外，研究还分析了电极表面生物膜的形成对电化学性能的影响。生物膜的形成不仅提高了微生物与电极的接触面积，还增强了电子转移效率，从而提升了电流和功率输出。通过显微镜观察和细胞形态分析，研究人员发现，较小的细胞具有更高的表面积与体积比，这有助于提高电子转移效率和生物膜的稳定性。

在实际应用中，MEC的性能还受到多种因素的影响，包括COD负荷、电极材料的选择以及反应器的设计。研究中提到，当COD负荷从14,843 mg/L降低至2,443 mg/L时，电流输出显著增加，达到24.9 mA，而电流密度也从10.34 mA/m2提升至13,355.56 mA/m2。这一结果表明，存在一个最佳的COD负荷范围，使得MEC能够实现高效的电能生成和有机物降解。然而，如果COD负荷过高，可能会导致底物抑制，降低系统的整体效率。因此，合理控制COD负荷是提升MEC性能的关键。

除了电能生成，MEC还能够实现高效的氢气生产。研究中提到，在COD负荷为2,443 mg/L时，氢气产量达到23.46 mL/gCOD，这比对照组高出3.1倍。这说明，通过优化反应条件和微生物特性，可以显著提高氢气的生成效率。此外，MEC系统在处理污水污泥时，还表现出对总溶解固体（TDS）的高效去除能力，当电流密度达到14.56 mA/m2时，TDS去除效率高达82.45%。这一发现进一步验证了MEC在废水处理中的多功能性，不仅能够产生电能，还能有效减少污染物的排放。

在研究过程中，还特别关注了MEC系统的经济性和可持续性。传统的MEC系统往往需要较高的初始投资和运行成本，这限制了其在实际中的应用。然而，通过采用低成本且高效的电极材料和生物催化剂，如大肠杆菌，可以显著降低系统的整体成本。研究中提到，使用替代性催化剂如聚苯胺-铁（PANI-Fe）和聚偏氟乙烯基活性炭（PVDF-AC）等，不仅能够提供与铂基催化剂相当甚至更好的性能，还能大幅降低成本。此外，通过优化反应器设计和微生物群落结构，可以进一步提高系统的经济性，使其更适用于大规模的污水处理和能源生产。

MEC技术的未来发展需要在多个方面进行深入研究。首先，电极材料的创新和优化对于提高系统的性能至关重要。其次，生物催化剂的工程化改造，如通过基因工程技术增强大肠杆菌的电子传递能力，是提升MEC效率的重要途径。此外，反应器的结构优化和规模扩展也是实现MEC商业化应用的关键。通过这些措施，MEC有望成为一种经济、高效且环保的废水处理和可再生能源生产技术。

总之，MEC技术为污水污泥的处理和能源回收提供了一种创新的解决方案。通过合理选择和优化生物催化剂、电极材料以及反应器设计，可以显著提升系统的性能，实现高效的电能和氢气生成，同时减少污染物排放。这一研究不仅展示了MEC在生物电化学领域的潜力，还为未来的可持续发展和循环经济提供了新的思路和方法。随着技术的不断进步和成本的降低，MEC有望在未来的废水处理和能源生产中发挥更大的作用。