渗透微生物燃料电池中全氟烷基物质存在下膜污染形成机制与污染物去除机理研究

针对全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)影响渗透微生物燃料电池(OsMFC)膜污染的关键问题，研究人员系统探究了PFAS对膜表面特性、污染物组分及去除路径的影响。研究发现PFAS通过改变微生物胞外聚合物(EPS)组成加剧长期膜污染，优化水力停留时间(HRT)可使PFAS去除率提升至60%以上，为膜生物反应器在含PFAS废水中的可持续运行提供了理论依据。

　　

随着工业废水处理需求的日益增长，渗透微生物燃料电池(OsMFC)作为一种能同步实现发电、净水提取和污染物降解的新型技术备受关注。然而全氟烷基物质(PFAS)这类"永久性化学物质"在环境中的持久存在，不仅威胁人类健康，更对OsMFC的核心组件——渗透膜构成严峻挑战。前期研究表明，PFAS会导致OsMFC水通量下降和膜污染加剧，但其作用机制尚不明确，且现有PFAS去除率最高仅50%，严重制约该技术的实际应用。

中国环境科学研究院的研究团队在《Water Research》发表的研究中，创新性地揭示了PFOA和PFOS影响OsMFC膜污染的动态规律。通过构建双室OsMFC反应器，采用碳毡阳极和载铂阴极，结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)和结构方程模型等分析手段，发现PFAS会诱导微生物分泌更多含α-D-吡喃葡萄糖和β-D-吡喃葡萄糖的EPS，导致膜表面疏水性增强。研究首次阐明生物膜吸附是PFAS在OsMFC中的主要去除途径，通过优化HRT成功将PFOA/PFOS去除率提高至60%以上。

关键技术方法包括：1) 双室OsMFC反应器构建与长期运行监测；2) 膜污染成分的FTIR和接触角分析；3) 物理清洗(水力冲刷)与化学清洗效果对比；4) HRT优化实验；5) PFAS分布路径的结构方程建模。

【OsMFC setup and operation】
研究采用有效容积150 mL的双室反应器，阳极采用产电稳定的多孔碳毡，阴极使用载铂量0.5 mg Pt/cm²
的碳布。通过蠕动泵循环进料液和汲取液，实时监测电压输出和水通量变化。

【Electricity generation and wastewater treatment】
短期暴露PFAS对产电性能无显著影响(p>0.05)，但长期运行后PFOA组水通量下降更显著。FTIR分析显示膜污染物主要含多糖(1080 cm^-1
特征峰)和蛋白质(1650 cm^-1
酰胺带)，接触角测试证实PFAS使膜表面接触角增大15°-20°。

【Conclusions】
研究证实PFAS会通过改变EPS组成加速膜污染进程，其中PFOA主要在运行初期引发污染，而PFOS则导致渐进式污染。物理清洗可使水通量恢复率达95%，优化HRT后PFAS去除效率提升显著。生物膜吸附被确定为PFAS主要去除途径，这为开发基于生物强化的PFAS处理技术提供了新思路。

该研究不仅阐明了PFAS影响OsMFC性能的分子机制，更建立了膜污染控制与PFAS去除的协同优化策略，对推动OsMFC在含PFAS工业废水处理中的应用具有重要指导价值。研究提出的HRT调控方法和膜污染阶段特异性清洗策略，为同类膜生物反应器的长期稳定运行提供了普适性解决方案。