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页岩油气废水（SOGW）污染严重，传统处理技术存在高成本等问题。研究人员开发新型微生物燃料电池（AOMM）处理 SOGW 并回收能源。结果显示，AOMM 能高效去除污染物，最大功率密度达 61.6 mW/m2 。该研究为 SOGW 处理提供新途径。
在全球能源结构转型的浪潮中，页岩油和天然气的开采备受瞩目。然而，这一过程产生的大量页岩油气废水（SOGW）却成了令人头疼的环境难题。SOGW 水量巨大，水质复杂得如同一个 “大杂烩”，里面不仅有大量盐分、各种有机污染物，还有让人担忧的重金属。而且，不同生产井位置、开采深度和生产周期都会让 SOGW 的水质 “大变身”，其总溶解固体（TDS）含量从几千到数百万 mg/L 不等，化学需氧量（COD）含量也在几百到数万 mg/L 之间大幅波动。这些废水一旦泄露，对地表水和地下水的污染风险极高，就像一颗隐藏的 “环境炸弹”。
目前，针对 SOGW 的处理技术不少，像高级氧化、膜分离和热处理技术，虽然能在一定程度上净化废水，但它们的 “缺点” 也很明显，高成本、高能耗和高排放让它们难以大规模推广应用。相比之下，生物处理技术成本较低，也在实际项目中得到了应用，不过传统生物处理方法存在处理周期长、占地多等问题。在环保要求日益严格的当下，寻找一种高效且低碳的废水处理技术迫在眉睫。微生物燃料电池（MFC）作为一种结合了电化学和微生物处理的技术，能在处理废水的同时产生清洁可再生的生物电，减少污泥和温室气体排放，看起来是个不错的选择。然而，MFC 在成本、发电效率、可扩展性和处理性能等方面还有很大的提升空间，距离商业化应用仍有一段距离。
为了解决这些问题，来自国内的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们开发了一种类似缺氧 / 好氧膜生物反应器（A/O-MBR）的新型微生物燃料电池 AOMM，旨在处理 SOGW 并回收能源。研究成果发表在《Bioresource Technology》上，为 SOGW 的处理开辟了新的道路。
研究人员在这项研究中主要运用了以下几种关键技术方法：采集实际页岩油开采现场不同井位的 SOGW 样本进行水质分析，以此为依据配制模拟废水，保证实验废水能最大程度代表实际情况；在运行 AOMM 的过程中，持续监测相关指标，如化学需氧量（COD）、溶解有机碳（DOC）、氨氮（NH?? -N）和总氮（TN）等去除率，以及功率密度等，来评估 AOMM 的处理性能；对 AOMM 中的微生物群落结构和功能基因进行分析，探索其运行机制。
分析实际废水水质和制备模拟废水
研究人员从中国黑龙江省某页岩油开采现场的不同井位采集了 3 个原始 SOGW 样本（标记为 S1、S2 和 S3），详细分析其水质特征。通过对这些样本的研究，了解到实际 SOGW 的复杂成分，为配制模拟 SOGW 提供了重要依据。这一步至关重要，因为模拟废水成分越接近实际，后续实验结果就越可靠、越有参考价值。
废水处理性能
在 AOMM 运行的前 30 天，研究人员将有机负荷率（OLR）和阴极溶解氧（DOc）分别维持在 1.0 - 1.1 g/L?d 和 3.0 - 4.0 mg/L。实验结果令人惊喜，AOMM 对 COD 和溶解有机碳（DOC）的去除率逐渐上升，最终分别稳定在约 98.0% 和 97.0%。运行 20 天后，出水的 COD 和 DOC 浓度始终不超过 70.5 mg/L 和 24.9 mg/L，达到了相关的二级标准。这表明 AOMM 在去除 SOGW 中的有机污染物方面表现出色，能够有效净化废水。
微生物和基因分析
通过微生物和基因分析，研究人员发现 AOMM 的阳极和阴极都富集了与电子转移、碳降解和脱氮相关的关键细菌和功能基因。这一发现揭示了 AOMM 高效处理废水的内在机制，正是这些微生物和功能基因的协同作用，使得 AOMM 能够在去除污染物的同时实现能源回收。
实际应用潜力评估
与实际 SOGW 处理项目相比，AOMM 不仅能更高效地去除有机物，而且处理过程更简单。这意味着 AOMM 在实际应用中具有很大的优势，有望成为一种可行的 SOGW 处理技术。
研究结果表明，AOMM 在处理 SOGW 方面展现出了卓越的性能。它不仅能连续稳定地产生生物电，实现能源回收，还能高效去除 SOGW 中的碳和氮。AOMM 的最大功率密度达到了 61.6 mW/m2 ，对 COD 的去除率超过 98.0%，对总氮（TN）的去除率超过 82.0%。此外，AOMM 新采用的悬浮旋转生物阴极提高了阴极发电的稳定性、微生物多样性和污染物去除能力。
这项研究的意义重大。AOMM 的开发降低了对高成本和难以规模化组件的依赖，为 MFC 在废水处理领域的实际应用提供了新的方向。其在处理 SOGW 方面的优异表现，为解决页岩油和天然气开采过程中的环境问题提供了有效的技术支持，有助于推动页岩油和天然气产业的可持续发展。同时，该研究也为其他类似废水处理提供了参考，在环境科学和能源领域具有重要的应用价值。
