厌氧颗粒污泥与絮状污泥接种MFC协同去除含铜有机废水中Cu2+ 的效能与机制研究

针对含铜有机废水处理难题，研究人员通过对比厌氧颗粒污泥(AGS)与絮状污泥(FS)接种的双室微生物燃料电池(MFC)，系统考察了不同Cu2+ 浓度(0.1-1 mg/L)对COD去除、产电性能及铜吸附动力学的影响。研究发现1 mg/L Cu2+ 可显著提升AGS-MFC(707 mV)和FS-MFC(675 mV)的产电性能，准二级动力学方程能较好描述Cu2+ 吸附过程，EDS证实铜元素主要富集在阳极生物膜表面。该研究为重金属废水处理提供了新型生物电化学解决方案。

　　

随着中国经济的快速发展，水污染问题日益严峻，特别是含有重金属的有机废水处理面临重大挑战。铜离子(Cu²⁺
)作为典型重金属污染物，具有难降解、易富集和神经毒性等特点，传统生物处理法对其去除效率有限。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)技术因其能同步实现废水处理和电能回收的双重优势备受关注，但关于不同污泥形态(颗粒与絮状)对含铜废水处理效果的对比研究仍属空白。

针对这一科学问题，来自中国的研究团队在《Desalination and Water Treatment》发表了创新性研究成果。他们构建了两组双室H型MFC系统，分别接种厌氧颗粒污泥(Anaerobic Granular Sludge, AGS)和絮状污泥(Flocculent Sludge, FS)，通过调控进水Cu²⁺
浓度(0.1、0.5、1 mg/L)，系统考察了两种MFC的产电性能、COD去除效率、铜吸附动力学及微生物群落演变规律。

研究采用的主要技术方法包括：双室MFC反应器构建（含Nafion117质子交换膜）、恒温(30±2℃)运行控制、ICP-MS检测Cu²⁺
浓度、扫描电镜(SEM)观察生物膜形态、能谱分析(EDS)表征元素分布，以及高通量测序分析微生物群落组成。实验所用AGS来自实验室厌氧流化床反应器，FS采自成都某污水厂二沉池。

【3.1 生物产电性能】
研究发现Cu²⁺
浓度对产电性能呈现"低抑制-中抑制-高促进"的独特规律。当Cu²⁺
为1 mg/L时，AGS-MFC和FS-MFC分别获得最高输出电压707 mV和675 mV，功率密度达143.1 mW/m²
和112.9 mW/m²
。有趣的是，0.1 mg/L Cu²⁺
使FS-MFC电压提升55.4 mV，却导致AGS-MFC下降86 mV，揭示两种污泥中产电菌对铜敏感性的差异。

【3.2 COD去除性能】
Cu²⁺
浓度对COD去除率影响较小，在1 mg/L Cu²⁺
条件下，AGS-MFC和FS-MFC的COD去除率分别达94.6%和94.1%。这表明阳极微生物活性在实验浓度范围内保持稳定，与产电性能的变化趋势不完全同步。

【3.3 Cu²⁺
去除与吸附动力学】
吸附过程呈现典型的两阶段特征：前20小时快速吸附阶段去除率达69.4-98.97%，后续进入慢速吸附阶段。准二级动力学模型能更好描述吸附过程(R²

0.999)，表明化学吸附占主导。EDS分析显示阳极生物膜表面存在明显铜元素峰，且AGS-MFC的铜信号强度更高，证实生物吸附是主要去除途径。

【3.4 微生物群落分析】
高通量测序发现AGS-MFC以Bacilli(51.02%)、Anaerolineae(9.09%)为优势菌，而FS-MFC中Anaerolineae(30.53%)和Candidatus(14.60%)占主导。Cu²⁺
胁迫下，AGS-MFC出现Syntrophobacter(2.43%)、Petrimonas(1.96%)等具有电子传递功能的菌属，FS-MFC则富集了具有硫酸盐还原能力的Desulfobulbus(1.36%)。

该研究得出三个重要结论：(1)1 mg/L Cu²⁺
可同时提升两种MFC的产电性能，可能与铜离子增强电极导电性有关；(2)AGS-MFC表现出更稳定的微生物群落结构和铜耐受性；(3)新出现的功能菌属(Syntrophobacter、Petrimonas等)可能在电子传递和铜转化中发挥关键作用。

这项工作的科学价值在于首次系统比较了不同污泥形态MFC处理含铜废水的性能差异，揭示了Cu²⁺
浓度与产电性能的非线性关系，为优化生物电化学系统处理重金属废水提供了理论依据。特别值得注意的是，研究中发现的铜诱导功能菌群可为合成微生物群落构建提供候选菌种，而建立的准二级动力学模型对实际工程参数设计具有指导意义。该成果不仅拓展了MFC在重金属废水处理中的应用场景，也为发展"以废治废"的可持续水处理技术提供了新思路。