基于光合作用的新型污水资源化处理策略：微生物燃料电池耦合生物膜系统实现高效脱氮与磷回收

本综述提出了一种创新的污水资源化处理策略，通过将微生物燃料电池（MFCs）与光合作用生物膜系统耦合，实现了对NH4+（>99%）和有机物（COD 70%，BOD 92%）的高效去除，并利用纳滤（NF）技术完成PO43?深度脱除（99%）。该系统通过固定化生物质强化资源回收，为可持续污水处理提供了技术新范式。

　　

Experimental setup

实验装置

一套包含12个微生物燃料电池（MFC）单元的系统被安装于日本名古屋的上田水处理中心。每个MFC单元由长度为100厘米、直径为5厘米的圆柱形腔室构成，配备碳材料空气阴极以及五个圆柱形碳刷阳极和一片非织造石墨织物阳极（长度100厘米，直径4厘米）。阳极与阴极通过阴离子交换膜（AEM）分隔。MFCs被用于污水初级处理。

Variations in light intensity in function of illumination source and biomass accumulation

光照强度随光源与生物质积累的变化

光照强度是调控光合微生物生长的关键因子（Khan等，2022），因此直接影响污水处理中的光合效率。本研究通过调节LED数量（1个或2个）以及在阶段I和阶段II中测量反应器内光照强度，评估其对生物质的影响。生物质及其特异性光色素含量会衰减光线，降低可用于微生物生长的光照强度。

Conclusions

结论

本研究表明，光合作用可近乎完全去除污水中的NH₄⁺，克服了AEMFCs的一个重要局限。在持续运行超过300天的系统中，识别出两种NH₄⁺去除机制：在阶段I的长水力停留时间（HRT >300小时）下主要通过同化作用，而在阶段II的较短HRT（约150小时）下则主要通过硝化作用。在HRT高于150小时的情况下，反应器F1和F2对有机物（OM）的去除率平均达到化学需氧量（COD）70%和生化需氧量（BOD）92%。尽管MFC-光合系统单独对PO₄^3?的去除效果有限，但通过添加纳滤（NF）过程可实现高效磷脱除。