活性焦基阴极强化连续上流式人工湿地-微生物碳捕获系统的污水处理与能量回收效能

针对传统污水处理技术能耗高、资源回收率低的问题，研究人员创新性地将活性焦基阴极应用于连续上流式藻类辅助人工湿地-微生物碳捕获系统（CW-MCC）。结果表明，该系统最高功率密度达143.41±7.09 mW/m3，COD、NH4+-N等污染物去除率超87%，通过多孔结构促进氧还原反应（ORR）动力学，为可持续水处理提供新范式。

　　

随着全球水资源短缺与能源危机加剧，传统污水处理技术如活性污泥法（ASP）和上流式厌氧污泥床（UASB）面临高能耗、营养盐去除效率低等瓶颈。人工湿地（CW）虽能通过氧化还原电位变化实现多环境协同处理，但受限于电子受体不足导致的厌氧主导进程。为此，印度理工学院的研究团队在《Bioresource Technology Reports》发表研究，将活性焦基阴极引入连续上流式人工湿地-微生物碳捕获系统（CW-MCC），开创性地耦合了藻类生物阴极与电化学过程。

研究采用双系统对比设计：CW-MCC-1使用活性焦阴极（含金属掺杂多孔结构），CW-MCC-2采用传统碳毡阴极。通过电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）验证活性焦的优异ORR活性，其电荷转移电阻（R_ct）显著低于碳毡。连续流实验显示，CW-MCC-1的最大功率密度（143.41 mW/m³）较对照组提升48.4%，COD、NH₄⁺-N、PO₄^3?-P去除率分别达92.5%、87.7%和89.7%。藻类培养使阴极溶解氧（DO）浓度提升，加速电子传递链，同时实现碳封存与生物质收获。

Fabrication of CW-MCCs
通过聚丙烯管道构建13 cm直径的连续上流式反应器，活性焦阴极以不锈钢网包裹成3 cm厚盘状电极，其多孔结构与铁/镍掺杂金属位点增强ORR动力学。

Electrochemical characterisation
CV曲线在-0.79 V vs SCE处出现明显还原峰，证实活性焦的氧化还原活性；EIS显示其R_ct值仅为碳毡的1/3，电子转移效率显著提高。

Conclusion
该研究首次证实活性焦阴极在CW-MCC中的三重效益：通过藻类光合作用提升DO浓度优化ORR，金属掺杂位点降低过电位，多孔结构促进传质。相比传统CW-MFC，系统兼具碳捕获（藻类生物质）、营养盐去除与能量回收，为分散式污水处理提供可持续解决方案。

讨论部分强调，活性焦的低成本（约为碳毡的1/5）与抗腐蚀特性可大幅降低系统运维成本。未来研究可探索金属掺杂比例对ORR的调控机制，以及藻菌共生体系对污染物降解路径的影响。该技术对实现联合国可持续发展目标（SDG 6清洁饮水与卫生）具有重要实践意义。