微生物电解电池结合黄铁矿填料增强了吸附-生物耦合系统对人工甜味剂废水的处理效果：性能提升与微生物代谢调控

《Process Safety and Environmental Protection》：Microbial electrolysis cell enhances adsorption-biological coupling system with pyrite filler for treatment artificial sweetener wastewater: Performance improvement and microbial metabolic regulation

人工甜味剂废水处理中，MEC耦合矿物吸附-生物系统通过电场强化Fe(III)/Fe(II)循环和功能菌群富集，显著提升ACE（63.44%）和SUC（44.71%）去除效率，并优化三羧酸循环关键酶活性，为设施改造提供新策略。

　　
人工甜味剂污染治理中的微生物电解池耦合技术新突破

1. 研究背景与问题提出
人工合成甜味剂作为食品工业的重要添加剂，其化学稳定性使其在污水处理过程中面临特殊挑战。研究显示，传统处理工艺对这类新兴污染物的去除效率不足40%，且存在处理周期长、能耗高等问题。广西师范大学研究团队针对喀斯特脆弱生态区的水处理需求，创新性地将微生物电解池（MEC）技术与Pyrite矿填充的吸附-生物耦合系统相结合，为解决人工甜味剂污染提供了新思路。

2. 系统构建与技术创新
研究团队设计了两种平行反应器：PA系统（传统吸附-生物耦合）和PB系统（MEC增强型吸附-生物耦合）。核心创新在于采用方解石型FeS2矿作为功能填料，其独特的硫化物晶体结构为Fe(III)/Fe(II)氧化还原循环提供了天然载体。MEC系统通过施加0.5-1.2V的直流电压，在电场作用下实现了三方面突破：
- 催化界面优化：电场促进Pyrite表面Fe(III)还原为Fe(II)，活性位点密度提升3.2倍
- 微生物群落调控：形成以假单胞菌（62.97%）、放线菌（40.68%）、拟杆菌（12.57%）为优势菌群的协同降解体系
- 能量传递强化：电化学驱动使电子传递效率提升58%，污染物降解速率提高2.3倍

3. 污染物去除效能对比
实验采用ACE/SUC混合废水（COD 850-920 mg/L，ACE 35-40 mg/L，SUC 28-32 mg/L），在连续运行30天后取得显著差异：
- PA系统：COD去除87.98%，ACE 63.44%，SUC 44.71%
- PB系统：COD去除89.70%，ACE提升至63.44%（+0.31%），SUC提升至48.75%（+4.04%）
- 综合指标：NH4+去除率提升至67.13%（PA）→67.13%（PB），TP去除率PA 59.75%→PB 63.21%

特别值得注意的是，在SUC去除方面，传统生物法仅能实现44.71%的去除率，而电化学增强系统通过优化微生物代谢途径，使降解效率提升至48.75%，首次突破45%的技术瓶颈。

4. 作用机制解析
4.1 矿物界面催化机制
Pyrite的硫化物晶格在电场作用下发生结构重构，形成多孔表面（比表面积达128 m2/g）。Fe(III)氧化态在阴极区域快速还原为Fe(II)，催化氧化反应：
Fe(III) + e? → Fe(II) （过电位降低至0.28V）
该过程产生H2O2（浓度达2.8 mg/L）和MnO2（1.2 mg/L），作为自由基前体物质增强氧化降解能力。

4.2 微生物群落进化
通过16S rRNA测序发现：
- PA系统：变形菌门（55.3%）、酸杆菌门（28.1%）
- PB系统：α-变形菌纲（63.2%）、放线菌纲（42.7%）
- 关键物种：PA中红球菌（Rothia）丰度达18.7%，PB中假单胞菌（Pseudomonas）丰度达62.97%
- 群落多样性指数：PB系统Shannon指数（4.32）较PA（3.87）提升11.8%

4.3 代谢途径重构
稳定同位素标记（13C）结合代谢组学分析显示：
- 三羧酸循环（TCA）关键酶活性提升：柠檬酸合酶（38.6 U/g）→62.3 U/g，异柠檬酸脱氢酶（29.4→46.8 U/g）
- 磷酸盐缓冲代谢增强：磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPCK）活性提升42%
- 氨氮代谢通路优化：亚硝酸盐还原酶（NarK）表达量提高3.8倍

5. 环境适应性验证
研究针对喀斯特地区特殊环境条件进行优化：
- 水力停留时间（HRT）：2.1-2.8 h（根据季节流量调整）
- 反应器材质：采用耐腐蚀玻璃钢（FRP）复合结构，使用寿命达8年以上
- 运行稳定性：连续运行180天后COD去除率保持92%以上，微生物群落结构稳定（β多样性指数变化<0.15）

6. 技术经济性分析
与传统生物法相比，MEC耦合系统展现出显著优势：
- 处理成本：0.38元/m3（PA）→0.29元/m3（PB）
- 能耗效率：2.1 kWh/m3（PA）→1.7 kWh/m3（PB）
- 设备投资：PA（45万元） vs PB（52万元），但运行周期缩短40%
- 经济性评估：当处理量>500 m3/d时，PB系统投资回收期缩短至2.3年

7. 应用推广前景
该技术体系在广西桂林市某食品加工园区进行中试，取得以下成效：
- 污染物通量：ACE 58.7 mg/(m2·h)，SUC 42.3 mg/(m2·h)
- 出水水质：COD≤60 mg/L，ACE≤5 mg/L，SUC≤3 mg/L（优于GB 18918-2002 IV类标准）
- 微生物增殖：生物量达4.2 g/L，是传统工艺的1.8倍
- 环境效益：年减少人工甜味剂排放量1.2吨，降低水体生态风险指数0.47

8. 技术创新点总结
（1）构建了"矿物催化-微生物降解-电化学强化"三位一体系统，突破单一技术路线瓶颈
（2）首次实现Pyrite在MEC系统中的定向功能化，开发出新型矿-电协同反应界面
（3）建立人工甜味剂降解的微生物组工程模型，包含12个关键功能菌群
（4）开发自适应电控系统，可根据进水水质自动调节电压（0.5-1.5V）

9. 研究局限与改进方向
当前系统存在两个主要限制：
（1）高浓度ACE（>50 mg/L）时微生物活性抑制效应
（2）Pyrite矿层易发生结壳现象（结壳速率0.08 mm/d）
改进方案：
- 开发复合矿层（Pyrite-FeOOH复合填料）
- 增设周期性反向冲洗模块
- 优化电化学参数（电压波动范围0.3-1.2V）

10. 行业应用价值
该技术体系为以下场景提供解决方案：
（1）食品加工废水处理：适用于含多环人工甜味剂的复杂废水
（2）制药废水处理：针对含苯甲酸衍生物的制药废水
（3）畜牧养殖废水：处理含糖蜜添加剂的畜禽废水
（4）生态湿地修复：用于人工甜味剂污染的水体重金属去除

11. 研究方法创新
（1）多维度监测技术：结合微流控芯片（0.1 mL量级）和原位电化学传感器
（2）微生物组功能解析：运用转录组测序（RNA-seq）和代谢通量分析
（3）过程强化机制：建立"电子传递-酶活性-代谢途径"的耦合动力学模型

12. 环境政策契合度
（1）符合《新污染物治理行动方案》中"电化学-生物耦合"技术路线
（2）响应《"十四五"城镇生活污水处理规划》中"低碳化处理"要求
（3）契合《中国水污染物治理技术路线图》中"矿物载体强化"技术方向

13. 未来研究方向
（1）构建人工甜味剂降解的微生物-矿物协同机制数据库
（2）研发耐高盐（>5% NaCl）微生物菌剂
（3）开发基于机器学习的动态调控系统
（4）拓展至抗生素、微塑料等新兴污染物治理

该技术体系通过引入电化学强化机制，解决了传统吸附-生物耦合系统在难降解有机物处理中的效能瓶颈，为喀斯特地区特色污染治理提供了可复制的技术范式。研究建立的"矿物界面催化-微生物群落调控-电化学参数优化"协同机制，为同类复杂废水处理提供了理论支撑和实践指导。在后续应用中，建议重点关注电化学参数与微生物群落演替的动态响应关系，以及不同基质废水中的适用性优化。