《Bioresource Technology Reports》：Integration of low cost novel membrane in 20?L stack microbial fuel cell technology: Application in powering low-power electronic devices and hydrogen generation in microbial electrolysis cell
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A. Abubakkar siddik等研发了基于新型水泥支撑导电盐（NCSCS）质子交换膜（PEM）的微生物燃料电池（MFC）系统，成功处理20升 Septic Tank 污水并实现高功率密度（1981±0.96 mW/m3）和化学需氧量去除率（84.98±1.02%），验证了其在串联模式下通过优化水力停留时间（HRT）3实现规模化应用的潜力，同时证明NCSCS膜具有成本仅为2.28%总成本、耐污352天无需维护的特性。
A. Abubakkar Siddik | Rathinavel Nithya | Alagarsamy Arun
印度泰米尔纳德邦卡拉伊库迪阿拉加帕大学微生物学系，邮编630 003
摘要
新型水泥支撑导电盐（NCSCS）质子交换膜（PEM）已在实验室规模的双室微生物燃料电池（MFC）中得到验证，使用的是20升化粪池废水。本研究表明，NCSCS PEM适用于大规模应用（20升×1升的阳极堆栈），在不同水力停留时间（HRT）下，无论是以串联还是并联方式运行，均表现出良好的性能。在优化后的HRT条件下，该膜实现了最高的功率密度（1981±0.96 mW/m3）和化学需氧量去除率（84.98±1.02%）。本研究还展示了MFC与微生物电解单元结合使用的生物氢生产速率，为每天0.020升H?。成本分析显示，膜的成本仅占总费用的2.28%，且具有出色的耐久性，可连续使用超过352天而无需清洗或维护。这些结果证明了NCSCS膜在大规模可持续生物发电方面的潜力，使其成为废水转化为能源的实用且经济可行的解决方案。
引言
全球能源和水资源危机，加上废水处理的挑战，带来了严重的环境和健康风险。未经处理的废水富含有机物质，对生态系统和公共健康构成威胁，因此迫切需要开发可持续的废物能源转化技术。原位电化学系统已成为能源生产、废水处理和减少温室气体排放的有希望的替代方案。其中，微生物燃料电池（MFC）作为一种兼具废水处理和生物发电双重功能的技术，受到了广泛关注（Douma等人，2025年）。
在MFC中，电活性细菌在阳极处氧化废水中的有机化合物，释放电子和质子。电子通过外部电路传递到阴极，而质子则通过质子交换膜（PEM），与氧气结合生成水，从而产生电能（Cheng和Logan，2011年）。几十年来，MFC技术已从纳瓦级原型发展到千瓦级系统，显示出其在处理各种废水（从生活污水到复杂工业废水）方面的适应性。该技术的优势包括化学物质使用量少、能同时去除污染物且无有害副产物。然而，尽管在实验室取得了显著成果，但由于功率密度低、成本高（尤其是膜和电极）以及运行效率低，大规模应用仍受到限制（Sonawane等人，2024年）。
MFC规模化应用的主要瓶颈是系统体积增大时性能下降，这主要是由于内部电阻增加和质量传递不良等原因造成的（Feng等人，2008年；Malaeb等人，2013年）。为了解决这一问题，研究人员探索了可堆叠的模块化配置，通过串联或并联连接多个单元来提高整体电压和电流输出（Kiran Kumar等人，2023年）。与批处理系统相比，连续流操作也表现出更好的电能产生稳定性。水力停留时间（HRT）在优化底物利用、有机物质去除和能量回收方面起着关键作用。HRT决定了废水在反应器中的停留时间，直接影响微生物活性和系统效率（Gerardi，2002年）。较高的HRT适用于处理化学需氧量（COD）和生物需氧量（BOD）较高的高浓度废水，而较低的HRT则适用于低浓度废水（Kim等人，2016年）。因此，确定合适的HRT对于平衡MFC的废水处理效率和发电量至关重要。
材料选择也是降低系统成本和提升长期性能的关键挑战（Chen等人，2019年）。在MFC组件中，质子交换膜（PEM）显著影响内部电阻、离子传输和反应器经济性。理想的PEM应具有高质子导电性、低氧气和底物渗透率、优异的机械和热稳定性以及较低的成本（Sharma等人，2024年）。目前市场上最常用的PEM虽然导电性优异，但价格昂贵，因此亟需寻找低成本替代品。
我们之前的研究（Siddik等人，2024年）开发了一种新型水泥支撑导电盐（NCSCS）PEM（专利申请号：202341081243A），与Nafion 117相比，成本降低了70.29%，并在实验室规模的双室MFC中实现了204.04±0.87 mW/m2的功率密度。NCSCS PEM的离子交换能力（1.5691 meq/g）高于Nafion 117（0.9026 meq/g），孔隙率更高（平均孔径3.52纳米），热稳定性更好（500°C时完整性为97.9%）。其较低的内部电阻（231 Ω）进一步提升了电化学性能，使其成为低成本、可扩展MFC系统的理想选择。
在本研究中，我们开发了一种经济高效且可持续的MFC系统，采用优化的HRT和模块化的20升阳极配置（1升×20堆栈）。该系统使用新型NCSCS PEM作为膜，化粪池废水（STWW）作为阳极基底。这种方法旨在提高发电效率和废水处理效果，同时确保长期运行的稳定性并降低成本。本研究的结果有助于设计可扩展的多模块MFC堆栈，通过集成低成本PEM和优化系统参数（如HRT）来满足用户需求。总体而言，这项研究展示了将废物转化为清洁能源的循环经济模式，凸显了MFC在为智能设备和其他高能耗应用（如利用微生物电解单元生成氢气H?）提供动力的实际潜力。
实验部分片段
化粪池废水的收集与分析
实验表明，化粪池废水富含有机物质，非常适合用于生物能源生产（Thulasinathan等人，2021年）。这些废水在印度卡拉伊库迪阿拉加帕大学科学园区的化粪池中混合后，被收集到无菌玻璃容器中。通过过滤方法去除杂质和固体颗粒，然后储存在4°C条件下以备后续实验使用。物理化学参数包括颜色、pH值、温度和导电性等。
化粪池废水的分析
细菌作为电催化剂，通过电化学氧化还原过程高效地将有机废物转化为能源，这一过程已在多种废水中得到验证（Pandit等人，2022年）。表1展示了本研究中使用的化粪池废水的物理化学特性。结果显示，该废水含有丰富的有机化合物，是MFC中产电细菌的最佳基底。
结论
本研究证明了NCSCS PEM在扩大MFC技术应用范围、实现长期高效废水处理和生物发电方面的有效性。在HRT3条件下，系统实现了最高的化学需氧量去除率和电能产出，充分体现了其处理废水的潜力。20升的MFC装置连续运行了352天，未出现任何问题。此外，该膜还表现出出色的耐久性、抗堵塞性能和长期稳定性。
作者贡献声明
A. Abubakkar Siddik：撰写初稿、验证、项目管理、方法设计、数据分析、概念构思。
Rathinavel Nithya：撰写初稿、验证、项目管理、数据分析。
Alagarsamy Arun：审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目资助、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
