膜生物反应器-微生物过氧化物产电细胞-UVC-LED联用系统在水培废水处理中的集成优化与机制研究

为解决水培农业废水氮磷污染和微生物残留问题，韩国研究人员创新性地将微生物过氧化物产电细胞(MPPC)、膜生物反应器(MBR)和UVC-LED消毒技术集成，构建了293天稳定运行的混合处理系统。该系统实现COD去除率95%、H2O2原位生成2.3 mg L-1 h-1，UVC-LED/H2O2高级氧化对微生物灭活>4-log，为可持续农业废水处理提供新技术范式。

　　

随着全球70%的淡水被用于农业，传统土壤耕作正面临气候变化和土地退化的严峻挑战。水培农业作为可持续替代方案，虽能减少农药使用并提高产量，但其富含氮磷的废弃营养液(WNS)却成为新的环境威胁——未经处理的排放会引发藻华、水体缺氧，甚至影响饮用水安全。更棘手的是，现有处理技术如人工湿地占地面积大，而膜生物反应器(MBR)虽能高效去除污染物，却难以完全消除微生物残留和有机微污染物。

韩国国立研究基金会支持的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表突破性成果，首次将微生物过氧化物产电细胞(MPPC)、MBR和UVC-LED消毒技术集成，构建了能连续运行293天的混合处理系统。该系统通过MPPC原位产H₂O₂(2.3 mg L^-1 h^-1)，结合MBR对COD、NH₄⁺-N、T-N分别实现95%、82%、81%的去除率，最后用UVC-LED/H₂O₂高级氧化完成深度消毒(>99.99%微生物灭活)和除草剂降解，为闭环式水培废水处理提供了全新解决方案。

关键技术包括：1) 优化单室空气阴极MPPC的电化学性能；2) 监测MBR跨膜压力(TMP)和通量变化；3) 测定UVC-LED对不同微生物(Salmonella typhimurium、Bacillus cereus孢子等)的灭活剂量；4) 评估MPPC来源H₂O₂对阿特拉津的降解效率。

MPPC电化学性能与表征
系统在250天运行中保持0.25V稳定电压，阴极pH从3.3自发升至7.9，证实了MPPC在混合系统中的适应性。极化曲线显示最大功率密度达68.4 mW m^-2，H₂O₂产率与电流密度呈线性相关，为后续高级氧化提供了可持续氧化剂来源。

MBR长期运行性能
在HRT为12小时条件下，MBR表现出卓越的抗膜污染能力，TMP稳定在12-15 kPa。微生物群落分析揭示Nitrosomonas和Nitrobacter属主导的硝化菌群，解释了系统对NH₄⁺-N的高效转化。值得注意的是，渗透液中仍检出10⁶ CFU/mL微生物，凸显了末端消毒的必要性。

UVC-LED消毒与高级氧化
实验确定了不同病原体的临界紫外剂量：细菌孢子(35 mJ/cm²)、病毒(62 mJ/cm²)、DNA片段(170 mJ/cm²)。引入MPPC产生的H₂O₂后，阿特拉津在真实MBR渗透液中的降解速率常数提升3.7倍，证实了系统内氧化剂的协同效应。

这项研究首次实现了MPPC-MBR-UVC-LED技术的无缝衔接，MPPC不仅提供电能，更成为高级氧化的"绿色化工厂"；MBR在去除常规污染物的同时富集了功能菌群；UVC-LED则通过模块化设计解决了汞污染难题。Younggun Yoon等学者构建的系统兼具技术可行性和环境友好性，尤其适合土地受限的都市农业区。该成果为应对全球水危机提供了创新思路——将废水处理从"消耗性工程"转变为"资源生产设施"，完美诠释了循环经济理念。