CO2-乙酸微生物电合成耦合生物脱氮：实现碳中和污水处理的创新路径

本文推荐：该研究开创性地将微生物电合成（MES）与生物脱氮（BNR）耦合，利用可再生电力驱动CO2转化为乙酸（产率1.98 g/L·d，库仑效率75%），并作为内源碳源实现总氮（TN）去除率>97%。通过生物炭导电材料强化电子传递（EET），结合太阳能间歇供能策略，系统实现净CO2吸收（0.22 g/g N），环境足迹降低61%，为污水处理厂转型碳负生物精炼厂提供标杆方案。

　　

Highlight

本研究通过微生物电合成（MES）与生物脱氮（BNR）的耦合，构建了一条碳负排放的污水处理新路径。

系统构建与运行

耦合系统由BNR反应器（1.0 L）与MES反应器（阴极1.0 L，阳极0.1 L）组成，采用不锈钢网阴极和IrO₂涂层钛网阳极（图S1）。接种污泥来自衢州巨化集团污水处理厂，碳刷载体为生物膜生长提供支持。

可再生能源驱动的MES乙酸生产

400℃热解稻壳制备的导电碳材料（PC）显著提升电子传递效率（EET）。SEM显示PC无层状结构（图S3），拉曼光谱I_D/I_G比1.0（图S4），电导率1.2 mS/m。XPS分析揭示C-O和C=O是主要活性位点，通过介导微生物-电极直接电子传递，使乙酸产率提升30.09%，并富集了通过Wood-Ljungdahl途径固定CO₂的乙酸杆菌属（Acetobacterium）。

讨论

相比传统工艺，该体系突破了两大瓶颈：1）以原位生成的乙酸替代外源碳，避免二次污染；2）太阳能间歇供电期间，微生物通过储能多糖维持代谢活性。生命周期评估（LCA）显示，每去除1g氮可净吸收0.22g CO₂，环境冲击降低61%。

结论

该工作将污水处理厂重构为"碳捕获-资源化"枢纽：导电生物炭优化EET效率，乙酸生产成本（$1.22/kg）媲美工业标准，为可持续水管理提供了可扩展的闭环解决方案。