多阳极CW-MFC反应器强化生物电产出的同时高效灭活大肠杆菌与粪大肠菌群的研究

本研究针对传统单阳极人工湿地微生物燃料电池(CW-MFC)处理生活污水时电极表面积不足、功率输出受限的问题，通过构建多阳极CW-MFC系统，结合植物协同作用，实现了COD去除率最高达97.4%、粪大肠菌群(FC)灭活对数4.23±0.20的突破性成果，为低强度污水处理的规模化应用提供了创新电极配置方案。

　　

随着全球水资源短缺问题加剧，生活污水处理技术的革新成为环境工程领域的研究热点。传统人工湿地系统虽成本低廉但处理效率有限，而微生物燃料电池(MFC)技术能将污水中有机物降解与生物电能回收相结合，展现出巨大潜力。然而，单阳极MFC存在电极表面积不足、功率密度低等瓶颈问题，严重制约其实际应用。尤其对于低强度生活污水，如何通过电极结构优化同时提升污染物去除率和能源回收效率，成为亟待解决的科学难题。

印度理工学院古瓦哈提分校的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表的研究中，创新性地将多阳极结构引入人工湿地微生物燃料电池(CW-MFC)，系统考察了电极配置与植物协同作用对污水处理效能和生物电产出的影响。研究采用四种反应器构型：种植香蒲的单阳极(R1)与多阳极(R′1)系统、无植物的单阳极(R2)与多阳极(R′2)系统，通过对比分析化学需氧量(COD)去除率、病原微生物灭活效果及电化学性能参数，揭示了多阳极系统的强化机制。

关键技术方法包括：(1)构建有效容积4.5-4.6L的垂直上流式反应器，采用真实生活污水(COD 212.67±9.50 mg/L)作为处理对象；(2)多阳极系统采用并联电极配置测量累积电压；(3)通过开/闭路实验对比生物电产出差异；(4)使用标准方法检测FC和E. coli灭活对数；(5)监测阴极氧化还原电位(ORP)等电化学参数。

【COD去除从生活污水】
数据分析显示，多阳极构型显著提升处理效能：R′1(多阳极种植)取得最高COD去除率97.4%，较单阳极R1(95.9%)提升1.5个百分点；无植物系统中，多阳极R′2(91.6%)亦优于单阳极R2(88.1%)。值得注意的是，闭路运行时所有反应器COD去除率平均提高5.3%，证实生物电化学过程对有机物降解的促进作用。

【反应器配置与操作】
电极间距与有机物可用性被证实为电压和功率密度的决定性因素。多阳极系统通过扩大电极表面积，使EAB(电活性细菌)附着位点增加3.2倍，促进细胞外电子直接转移。R′1获得最高功率密度4.64 mW/m²
，为单阳极系统的2.1倍，印证了"电极表面积-生物膜形成-电子传递效率"的正相关关系。

【FC和E. coli灭活】
闭路运行时，R′1实现FC对数灭活值4.23±0.20，显著高于开路状态的3.49±0.15。但E. coli在不同构型间灭活差异不显著，研究者推测这与E. coli自身具备细胞外电子转移能力有关。香蒲通过根系释氧(ROL)将阴极ORP提升至+198 mV，协同强化了病原微生物的氧化灭活。

研究结论指出，多阳极CW-MFC通过三重协同机制实现性能突破：(1)电极表面积的几何级增长优化EAB群落结构；(2)植物-电极互作提升阴极ORP；(3)并联电路降低表面比内阻。该成果不仅为CW-MFC规模化提供了技术路径，更开创性地揭示了E. coli在生物电化学系统中的特殊存活机制，对污水处理与能源回收的联产技术发展具有重要指导意义。讨论部分强调，未来研究应聚焦于多阳极系统的电极材料优化与植物物种筛选，以进一步降低建设成本并提升系统稳定性。