编辑推荐：
在可持续发展背景下，微生物燃料电池（MFC）用于能源生产和废物处理意义重大。研究人员通过田口实验设计优化 MFC 中乳业污泥氧化、硝酸盐还原及发电过程，确定了最佳条件。这为 MFC 技术应用提供了关键数据，推动其发展。
在全球追求可持续发展的浪潮中，能源与环境问题紧密交织，成为科学界和社会各界关注的焦点。传统的能源生产方式过度依赖化石燃料，大量的二氧化碳排放引发了全球气候变暖，对生态环境和人类生活造成了严重威胁。与此同时，日益增长的废水和废弃物处理需求，也给环境带来了巨大压力。在这样的背景下，寻找一种既能高效处理废弃物，又能产生清洁能源的技术，成为科研人员的重要使命。
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）作为一种新兴的绿色技术，逐渐走进人们的视野。它就像一个神奇的 “能量工厂”，能够利用微生物的力量，在处理含有氧化 / 还原特性污染物的同时，产生清洁的电能。然而，MFC 的商业化之路并不平坦，低效率和高成本成为两大 “拦路虎”。一方面，MFC 的能源转化效率有待提高，使用易降解底物时效率在 2 - 50% 或更高，但仍有提升空间；另一方面，其资本投资比传统活性污泥系统高出 30 倍，这使得大规模推广面临困境。
此外，在废弃物处理领域，传统的活性污泥处理方法需要消耗大量的能源和化学物质，且处理效果有限。例如，乳制品行业在生产过程中会产生大量的污泥，这些污泥的管理和处置成本高昂，占处理厂总运营成本的 60% 。同时，水中的硝酸盐作为一种重要污染物，其去除问题也亟待解决。因此，如何优化 MFC 的性能，使其更好地应用于废弃物处理和能源生产，成为了科研人员亟待攻克的难题。
为了解决这些问题，来自国外的研究人员开展了一项具有创新性的研究。他们以乳业加工行业的废弃活性污泥和硝酸盐为研究对象，旨在通过优化 MFC 的运行条件，实现污泥氧化、硝酸盐还原与发电的协同优化。该研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》上，为 MFC 技术的发展和应用提供了重要的理论依据和实践指导。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：
- 田口实验设计（Taguchi experimental design）：这是一种优化实验条件的高效方法。研究人员采用田口 L9 设计，选取多个影响 MFC 性能的自变量，如污泥预处理方式、电极材料、电子受体浓度等，通过较少的实验次数，全面评估这些变量对响应参数（如库仑效率（CE）、总化学需氧量（TCOD）、最大功率密度和硝酸盐去除率）的影响。
- 多准则决策法（MCDM）：具体采用偏好顺序组织评估法（Preference Ranking Organization Method for Enrichment Evaluation，PROMETHEE）。研究人员利用该方法，从多个优化的实验条件中，综合考虑多个性能指标，筛选出最适合的实验条件，使研究结果更具综合性和科学性。
下面来详细看看研究结果：
- MFC 构建与运行：研究人员使用 H 形双室硼硅酸盐 MFC，在分批补料模式下运行。每个腔室总体积 500mL，工作体积 300mL，中间用预处理过的 Nafion 117 质子交换膜（表面积 10cm2）隔开，测试了不同的电极材料组合。
- 输入参数对响应参数的影响：通过田口实验设计，研究人员发现不同的自变量对 MFC 的性能有着显著影响。例如，经过优化，确定了最佳的实验条件：对污泥进行热酸性预处理，使用碳毡 / 镀铂碳布作为阳极 / 阴极电极，以及 6.5×10??mmol/L 亚甲基蓝与 NO??组合。在这些条件下，CE 达到 0.72% ，最大功率密度为 81.50mW/m2 ，TCOD 去除率为 24.5% ，硝酸盐去除率为 11% 。当进一步优化使最大功率密度和 CE 最大化时，可获得 121mW/m2 的功率密度和 1.55% 的 CE。
- 综合优化结果：利用可取性方法确定了使不同响应最大化的最佳实验，并进行了验证。通过 PROMETHEE 方法从多个备选最佳实验中选择出最适合的条件，为 MFC 的实际应用提供了更具参考价值的方案。
研究结论表明，在 MFC 的能源生产和处理性能方面，每个实验因素都有着重要作用。将废弃物作为电子受体和供体，不仅能够实现废弃物的资源化利用，还对 MFC 的可持续发展具有重要意义。使用不同类型的废弃物作为电子受体，可以进一步强化 MFC 的处理能力。然而，由于 MFC 性能受到众多自变量的影响，针对不同类型的废弃物确定最佳操作条件至关重要。
这项研究的意义重大。从能源角度看，它为提高 MFC 的发电效率提供了可行的方法，有助于缓解能源压力，减少对化石燃料的依赖；从环境角度讲，实现了污泥和硝酸盐的有效处理，降低了环境污染；从经济角度而言，优化后的 MFC 运行条件有助于降低成本，推动其商业化应用。该研究为 MFC 技术在可持续废物管理和能源生产领域的广泛应用奠定了坚实基础，为解决全球能源与环境问题提供了新的思路和方向。
