双室微生物燃料电池处理油田采出水：污染物去除机制与微生物群落动态解析

为解决油田采出水(OPW)高污染负荷和传统处理技术效率低下的问题，研究人员采用双室微生物燃料电池(MFCs)开展协同降解研究。该系统通过阳极厌氧降解COD(71.14%)和TPHs(70.68%)，阴极好氧硝化实现NH4+-N去除(75.96%)，并稳定输出360.42mV电压。微生物群落分析揭示Shewanella(阳极)和Nitrosococcus(阴极)的功能分化，为复杂废水处理提供新策略。

　　

油田开采过程中产生的采出水(OPW)是全球石油工业面临的重要环境挑战。据统计，每开采1桶原油就会伴随3-5桶OPW的产生，其年排放量可达数十亿立方米。这些废水不仅含有高浓度的石油烃类(TPHs)、化学需氧量(COD)和氨氮(NH₄⁺-N)，还包含重金属等有毒物质。传统处理方法如物理分离和化学氧化不仅成本高昂，还会产生二次污染，而生物处理又易受盐度和烃类抑制。如何实现OPW的高效、可持续处理，成为石油工业绿色转型的关键瓶颈。

山东省油田采出水处理与环境污染控制重点实验室的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表创新性研究，通过构建双室微生物燃料电池(MFCs)系统，将电化学技术与生物处理相结合。研究采用连续180天的实验周期，结合电化学监测、三维荧光光谱和微生物共表达网络分析等技术，系统评估了污染物去除效率与微生物群落演化规律。

主要技术方法
研究团队构建有效容积1L的双室MFCs反应器，采用Nafion?117质子交换膜分隔阴阳极室。阳极接种油田污泥降解TPHs和COD，阴极接种硝化污泥处理NH₄⁺-N，通过1000Ω外电阻监测产电性能。采用高通量测序分析微生物群落，并结合分子生态网络评估功能模块稳定性。

研究结果

1. 污染物去除效率：阳极室COD和TPHs去除率分别达71.14%和70.68%，阴极室NH₄⁺-N去除率为75.96%。溶解性微生物产物(SMP)荧光强度降低90%以上，表明大分子有机物有效矿化。

2. 电化学性能：系统输出电压稳定在360.42mV，峰值功率密度149.38mW/m²，极化曲线显示阳极极化是主要限速步骤。

3. 微生物群落动态：阳极优势菌Shewanella(25.7%)通过细胞色素c介导电子传递；阴极富集Nitrosococcus(18.3%)驱动硝化作用。共表达网络显示阴极微生物互作更具鲁棒性(节点度提高37.6%)。

结论与意义
该研究首次阐明双室MFCs处理OPW的微生物机制：阳极电活性菌通过直接电子转移降解烃类，阴极硝化菌群形成稳定功能模块。时空尺度的群落分析揭示，阴极网络模块化程度与NH₄⁺-N去除率呈正相关(r=0.82)。研究成果为复杂工业废水处理提供了"能源回收-污染控制"协同新范式，其微生物互作理论可拓展至重金属废水等领域。论文中建立的180天长期运行数据，为工程化应用提供了重要参数依据。