连续流动微电解（CW-MFC）中的铁基阳极：去除污染物及消除磺胺甲噁唑的机理与性能提升

《Bioelectrochemistry》：Iron-based anodes in CW-MFCs: mechanisms and performance enhancement for contaminant removal and sulfamethoxazole elimination

铁基材料在生物电化学污水处理中的应用研究。通过对比活性炭、铁基生物炭和黄铁矿作为阴极材料，构建湿地-微生物燃料电池系统，发现铁基生物炭系统（FCW-MFC）对COD、TP和SMX的去除率分别达96.4%、100%和100%，且具有更好的抗冲击负荷能力，系统电压稳定在400 mV左右。微生物群落分析显示铁基材料显著富集脱氮菌属（Thauera）比例，其中FCW-MFC达27.96%。研究证实铁基材料能优化电化学性能和微生物群落结构，实现废水处理与能源回收协同增效。

　　近年来，抗生素污染问题在全球范围内日益受到关注。随着抗生素在医疗和畜牧业中的广泛应用，其在水体中的残留已成为环境治理的一大挑战。特别是在污水处理过程中，传统的生物处理和化学氧化方法在去除抗生素方面存在局限性。化学氧化方法虽然在某些情况下能有效去除抗生素，但其高能耗和可能产生的有害副产物限制了其广泛应用。而生物降解方法虽然相对环保，但对特定抗生素的降解效率较低，且容易受到环境条件的影响。因此，寻找一种既能高效去除抗生素，又能实现能源回收的新型技术成为研究热点。

在这一背景下，构建湿地–微生物燃料电池（CW-MFC）技术逐渐崭露头角。该技术结合了构建湿地的自然净化能力和微生物燃料电池的电化学过程，具有低能耗、高处理效率和能源回收潜力等优势。构建湿地能够通过物理吸附、生物降解和化学反应等多种机制去除水中的污染物，而微生物燃料电池则通过微生物的代谢活动产生电能，实现废水处理与能源回收的双重目标。这种协同作用使得CW-MFC成为一种具有广阔应用前景的水处理技术。

本研究聚焦于三种不同的阳极材料对CW-MFC性能的影响，包括活性炭（ACCW-MFC）、铁基生物炭（FCW-MFC）和黄铁矿（PCW-MFC）。阳极材料的选择对于整个系统的运行效率至关重要，因为它不仅影响电流的产生，还决定了微生物群落的组成和活性。活性炭作为一种常用的阳极材料，以其高比表面积和良好的吸附性能著称，但其在电化学反应中的催化能力相对较弱。相比之下，铁基生物炭和黄铁矿由于其独特的物理化学性质，被认为具有更高的催化活性和更广泛的污染物去除能力。

铁基生物炭是一种将铁物种固定在生物炭基质上的功能性材料。这种结构能够促进铁与水体中污染物的直接接触，同时减少铁的溶解和流失，从而提高其在环境应用中的利用率。黄铁矿则是一种天然矿物，主要由FeS?组成，因其低成本和良好的电化学性能，被广泛研究用于水处理系统。黄铁矿含有丰富的铁离子，如Fe2?和Fe3?，其氧化和水解产物具有一定的絮凝作用，有助于去除含磷污染物。此外，黄铁矿表面通常带有负电荷，能够有效吸附带正电的离子，如NH??，这使其在处理含氮废水方面表现出色。

研究结果表明，FCW-MFC在化学需氧量（COD）、总磷（TP）和磺胺甲噁唑（SMX）的去除率上均表现出色，分别达到了96.4±0.68%、100%和100%。这表明铁基生物炭作为阳极材料能够显著提升系统的污染物去除能力。相比之下，PCW-MFC在SMX添加前后分别达到了402 mV和399 mV的峰值电压，显示出良好的电化学性能。这些结果表明，铁基材料的引入不仅能够增强系统的电化学反应，还能够促进微生物群落的多样性，从而提升整体处理效率。

在微生物群落组成方面，研究发现所有三种MFC系统中，假单胞菌门（Pseudomonadota）均为优势菌群，其相对丰度分别为71.34%、67.26%和63.35%。这一发现表明，无论采用哪种阳极材料，假单胞菌门在系统中均发挥着重要作用。此外，FCW-MFC和PCW-MFC中均检测到大量硝化细菌属（Thauera），其相对丰度分别为27.96%和15.58%。Thauera属的微生物在氮循环过程中具有重要作用，能够有效去除水体中的氮化合物，这进一步支持了铁基阳极材料在提升氮去除能力方面的优势。

铁基材料的引入对CW-MFC系统的运行具有深远的影响。一方面，铁的存在能够促进微生物群落的富集，提高其代谢活性，从而增强污染物的去除效率。另一方面，铁基材料的电化学特性能够提升系统的电流输出，使其在处理含抗生素废水时具备更高的能量回收潜力。此外，铁基材料的使用还能够改善系统的抗冲击负荷能力，使其在面对水质波动时保持稳定的运行状态。这些特性使得铁基阳极材料成为CW-MFC系统中不可或缺的组成部分。

在实际应用中，铁基生物炭和黄铁矿作为阳极材料的优势尤为突出。首先，它们的制备成本相对较低，相较于其他高成本的阳极材料，如工业级Fe?C或零价铁，铁基生物炭和黄铁矿的价格仅为约5600美元/吨，这为大规模推广提供了经济上的可行性。其次，铁基材料在水处理过程中表现出良好的稳定性和耐久性，能够在长时间运行中保持较高的性能。此外，铁基材料的环境友好性也是其受欢迎的原因之一，它们不会产生有害的副产物，符合可持续发展的理念。

尽管铁基材料在CW-MFC系统中展现出诸多优势，但其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，铁基材料的表面特性可能影响其与微生物的相互作用，进而影响系统的运行效率。此外，铁基材料的制备工艺需要进一步优化，以确保其在不同水质条件下的适用性。因此，未来的研究应着重于探索不同铁基材料的性能差异，以及如何通过改进材料结构和表面特性来提升其在水处理中的应用效果。

总体而言，本研究通过对比三种不同阳极材料对CW-MFC系统的影响，揭示了铁基材料在提升污染物去除效率和系统稳定性方面的关键作用。研究结果不仅为抗生素废水的处理提供了新的思路，也为实现废水处理与能源回收的协同效应奠定了基础。随着对铁基材料研究的不断深入，未来有望开发出更加高效、经济和环保的水处理技术，为解决抗生素污染问题提供有力支持。