渗透型微生物燃料电池在不同运行条件下的性能研究：曝气模式、外阻与底物浓度的影响

为解决传统废水处理技术能耗高、资源回收率低的问题，研究人员开展了渗透型微生物燃料电池(OsMFC)的优化研究，系统评估了曝气策略、外阻(330 Ω最佳)和COD浓度(1500 mg/L最优)对水通量(1.54 LMH)、能量回收(2.67 W/m3)和COD去除率(79%)的影响。该研究为同步实现废水处理、能源生产和淡水回收提供了关键技术参数，对推动可持续水-能耦合系统发展具有重要意义。

　　

随着全球城市化进程加速，传统废水处理技术面临能耗高、资源回收困难的双重挑战。当前海水淡化技术能耗高达2.80 kWh·m^-3，而常规微生物燃料电池(MFC)虽能同步处理污水并产电，但存在出水水质差、质子传输效率低等瓶颈。如何开发既能高效净化废水又可回收能源与淡水的新型技术，成为环境工程领域亟待突破的科学问题。

开罗大学公共卫生工程系(Public Works Department, Faculty of Engineering, Cairo University)的Hussein M. Abdelmohsen团队创新性地将正向渗透(FO)膜集成到MFC中，构建渗透型微生物燃料电池(OsMFC)。通过系统调控曝气模式、外接电阻和底物浓度三大关键参数，揭示了OsMFC在能量-水质-处理效率之间的协同机制，相关成果发表于《Desalination and Water Treatment》。

研究采用三组平行OsMFC反应器，通过极化曲线分析比较传统MFC与OsMFC性能差异。运用扫描电镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征膜污染特性，结合能量色散X射线光谱(EDX)解析污染元素组成。通过动态监测水通量、电导率变化等参数，定量评估不同运行条件下的系统效能。

3.1 启动阶段性能

接种32天后阳极生物膜成熟，输出电压稳定在0.56 V。极化曲线显示OsMFC最大功率密度(3.65 W/m³)较传统MFC提升15.3%，证实FO膜增强质子传输的特性。

3.2 曝气模式影响

直接曝气使功率密度达2.67 W/m³，但会降低水通量至0.77 LMH；无曝气时水通量提升至1.54 LMH，但功率骤降至0.18 W/m³。这表明溶解氧浓度与渗透压存在拮抗效应。

3.3 外阻优化

330 Ω外阻实现最佳平衡，功率密度2.16 W/m³；50 Ω时库伦效率升至5.5%，但电流输出不稳定，反映电化学活性菌群对低阻环境的应激反应。

3.4 底物浓度效应

1500 mg/L COD条件下系统性能最优，兼具稳定电压输出(0.6 V)和最高水回收率。过高浓度(2500 mg/L)导致生物抑制，功率密度衰减至1.09 W/m³。

3.5 膜污染解析

FTIR检测到1635 cm^-1(蛋白质)和1033 cm^-1(多糖)特征峰，SEM显示污染层含P、S等元素。化学清洗后污染物减少，证实0.2% NaClO可有效恢复膜性能。

该研究首次建立OsMFC多目标优化框架，揭示能量-水质协同调控规律。确定1500 mg/L COD和330 Ω外阻为最佳参数组合，为实际工程应用提供设计依据。膜污染特性的阐明为开发抗污染FO膜指明方向，推动OsMFC技术向规模化、可持续化发展。这项来自埃及团队的创新成果，为发展中国家解决水-能矛盾提供了低成本解决方案。