集成暗发酵与原电池的生物电化学系统：高效产氢与废水处理协同创新

本研究针对传统生物电化学系统(BES)功率密度(PD)低、依赖外部能源等问题，开发了一种集成暗发酵与原电池的新型IBES系统。该系统通过自发氧化还原反应实现无外源能量输入，产氢量达75.5–78.8 NL H2/kg TOC（较单独暗发酵提升3倍），同步实现94% NH4+去除率和62.7 mW/m3峰值功率密度，为可持续废水处理与清洁能源生产提供创新方案。

　　

随着全球能源危机加剧，传统生物电化学系统(BES)的局限性日益凸显——微生物燃料电池(MFC)功率密度(PD)不足62.7 mW/m³，微生物电解池(MEC)又依赖昂贵的外部电压输入。更棘手的是，现有技术难以兼顾废水处理与能源回收：单独暗发酵的氢(H₂)产率仅25 NL/kg TOC左右，而氨氮(NH₄⁺)去除效率普遍低于63%。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，严重制约着绿色技术的发展。

中国某研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表的研究给出了破局方案。他们设计的集成生物电化学系统(IBES)巧妙融合暗发酵与原电池原理，利用自发氧化还原反应产生内源电能。系统采用三室H型反应器，以Nafion?117质子交换膜分隔，石墨电极（20 cm²）通过100Ω外电阻连接。实验设置四组对照，在10,000 mg/L化学需氧量(COD)条件下持续监测产气量、电压及污染物降解率。

关键实验技术
1）双室MFC构建：2L工作体积反应器配备质子交换膜(PEM)
2）电化学监测：数字万用表跟踪开路电压(OCV)
3）多参数分析：同步检测H₂产量、COD去除率及NH₄⁺浓度
4）能量平衡计算：对比输入输出能量比

Results and discussion
电子的四种转移路径（直接/间接传递、微生物纳米线、电子穿梭体）被系统解析。IBES展现出三重优势：
1）产氢性能：75.5–78.8 NL H₂/kg TOC的产率，能量转化效率达940–1000 kJ/kg TOC
2）去污能力：94% NH₄⁺去除率与78% COD降解率同步实现
3）能量自持：仅需6.6 kJ/kg TOC外部能量输入，较传统MEC节能90%

Conclusion
该IBES系统通过"一石三鸟"的创新设计：
• 暗发酵代谢产物驱动原电池反应
• 电子自发转移替代外部电源
• 微生物-电极协同优化界面动力学
不仅突破传统BES的能源悖论，更开创了"治污-产氢-发电"三位一体的新模式。研究团队P. Vinodh Kumar等人特别指出，该系统在食品加工、制药等高浓度有机废水领域具有重大应用潜力，其模块化设计为工业放大提供了可能。

这项研究的意义远超技术本身——它证明环境治理与能源生产本可相辅相成。当暗发酵的代谢力遇上原电池的电子流，废弃物便完成了从"环境负担"到"能源宝库"的华丽转身。正如文中所言，这种"以废治废"的循环经济模式，或许正是通往可持续未来的密钥。