生物电化学耦合黄铁矿填料强化人工湿地脱氮除磷及堵塞逆转机制研究

针对人工湿地(CW)运行中易堵塞及氮磷去除效率低的问题，研究人员创新性地将生物电化学系统（MFC/MEC）与黄铁矿(PCW)填料耦合，构建PCW-MFC/MEC体系。结果表明，PCW-MFC最大功率密度达73.73 mW/m2 ，总氮去除率81.9%，磷酸盐去除率提升至88.1%，并通过MEC转换将堵塞系数从157.7降至86.2。该研究为人工湿地长效运行与污染协同治理提供了新策略。

　　

随着城市化进程加速，分散式污水处理需求激增，人工湿地（Constructed Wetland, CW）因其生态友好、运维成本低等优势成为研究热点。然而，传统CW长期运行中面临两大瓶颈：填料堵塞导致的系统寿命缩短，以及低温或高污染负荷下氮（N）、磷（P）去除效率骤降。更棘手的是，砂石等传统填料对磷的吸附容量有限，而生物膜过度生长会加剧孔隙堵塞。如何突破这些限制，实现CW的高效稳定运行，成为环境工程领域的重大挑战。

中国研究人员在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表的最新研究中，提出了一种革命性解决方案——将生物电化学系统（Bioelectrochemical System, BES）与黄铁矿（Pyrite, FeS₂
）填料协同应用于CW。研究团队设计四组对比实验：传统CW-MFC、黄铁矿填料CW（PCW-MFC）、PCW-MEC（微生物电解池），以及运行5个月后由MFC转为MEC的混合模式。通过监测污染物去除率、电化学性能、堵塞系数及微生物群落演变，系统评估了该技术的综合效益。

关键技术方法包括：构建5.3L圆柱形有机玻璃反应器，采用间歇流与连续流（HRT=2/2.5天）双模式运行；通过极化曲线测定功率密度，库仑效率评估电子转移效率；采用α多样性指数分析微生物群落结构；利用堵塞系数量化系统渗透性变化。

研究结果精要

1. 电化学特性突破
   PCW-MFC在HRT=2.5天时功率密度达73.73 mW/m²
   ，较传统CW-MFC（17.94 mW/m²
   ）提升311%，库仑效率最高达9.89%。黄铁矿的导电性与微生物胞外电子传递协同作用，显著提升了能量回收效率。

2. 污染物去除效能
   PCW-MFC在间歇流下总氮（TN）去除率81.9±0.2%，磷酸盐去除率较对照组提升37%。黄铁矿中Fe²⁺
   的释放促进化学除磷，而MFC阴极的氧还原反应强化了硝化-反硝化通路。

3. 堵塞逆转奇迹
   运行5个月后，PCW-MFC堵塞系数飙升至157.7，但转为MEC模式2个月后骤降至86.2。施加电压的MEC通过调控电子流抑制生物膜过度增殖，结合黄铁矿改善的孔隙结构，实现"自疏通"效应。

4. 微生物群落调控
   PCW体系Chao1指数提升21%，硫循环菌（如Thiobacillus）和电活性菌（Geobacter）丰度显著增加。黄铁矿作为电子供体，重塑了微生物代谢网络，促进硫/氮/碳循环耦合。

这项研究开创性地证明：PCW-MFC/MEC系统不仅能同步提升脱氮除磷效率（TN>80%，PO₄
^3-

88%）与能量回收（73.73 mW/m²
），更通过运行模式转换实现堵塞逆转。其科学价值在于揭示了"电化学-矿物学-微生物学"三重协同机制：黄铁矿提供电子供体与磷吸附位点，BES调控微生物代谢流向，而群落结构优化又反哺系统稳定性。该技术为人工湿地的工程化应用提供了可复制、低成本的升级方案，尤其适用于农村地区分散式污水处理，兼具环境效益与能源回收潜力。未来研究可进一步探索不同水质条件下运行参数的智能调控，推动该技术从实验室走向规模化应用。