《Applied Microbiology and Biotechnology》：Sustainable recovery from pig slurry using ionic liquid microbial fuel cells and microalgae consortia
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本研究针对猪粪浆(PS)高浊度限制微藻细菌(MB)系统直接应用的难题，创新性地提出将离子液体微生物燃料电池(MFCs)与MB菌群相结合的两步处理策略。研究人员采用[N8-10,8-10,8-10,1][Cl]离子液体替代全氟化物质子交换膜构建MFC，处理COD超过18,000 mg·L-1的原生PS，实现了50%的COD去除率和57.27±10.99 mW·m-2的产电性能。后续MB处理使生物质生产率达0.1-0.2 g·L-1·day-1，整体系统对COD、N-NH4+和P-PO43-的回收率分别达67%、99%和85%。该技术为高浓度有机废水的能源化与资源化提供了新范式。
随着全球人口增长和饮食结构变化，畜牧业集约化生产规模持续扩大，由此产生的畜禽粪便处理已成为严峻的环境挑战。特别是在欧盟国家如西班牙、德国和荷兰，高密度养猪业导致氨排放量居高不下，使其难以实现国家减排承诺目标。猪粪浆作为典型的有机废弃物，虽然富含氮、磷等营养元素，但其高化学需氧量和高浊度特性，给传统处理工艺带来了巨大压力。
目前主流的厌氧消化技术虽能产生沼气能源，但无法有效回收营养盐。而新兴的微藻细菌共生系统虽能通过光合作用固定二氧化碳并回收养分，却受限于猪粪浆中悬浮固体和溶解性有机物造成的透光率下降问题。当COD浓度超过10,000 mg·L-1时，直接应用微藻系统效果显著降低。传统的混凝絮凝预处理虽能改善浊度，但会产生大量污泥，造成二次污染。
面对这一技术瓶颈，穆尔西亚大学Eduardo Iniesta-López团队在《Applied Microbiology and Biotechnology》发表创新性研究，提出将离子液体微生物燃料电池与微藻菌群耦合的解决方案。该研究首次验证了采用甲基烷基铵氯化物离子液体制备的聚合物包容膜在处理超高浓度原生猪粪浆中的可行性，并系统评估了该集成系统在能源回收、污染物去除和生物质生产方面的综合性能。
本研究采用的关键技术方法主要包括：以甲基烷基铵氯化物离子液体和聚氯乙烯为原料通过流延法制备质子交换膜；构建单室微生物燃料电池系统并以原始猪粪浆为燃料进行批处理实验；使用气泡柱光生物反应器培养Scenedesmus almeriensis微藻并评估其在预处理和未处理粪浆中的生长性能；通过光谱法和色谱法系统分析化学需氧量、氮磷营养盐等水质参数。
Bio-electricity generation by MFCs
研究人员通过极化曲线分析发现，使用[N8-10,8-10,8-10,1][Cl]离子液体膜的MFC开路电压达到468±1.06 mV，最大功率密度为57.27±10.99 mW·m-2，对应外阻为1113 Ω。虽然该性能低于前期使用[N8,8,8,1][Cl]离子液体的研究结果，但考虑到处理对象为超高浓度有机废水，且离子液体成本显著降低，这一表现仍具应用价值。内部电阻测定值为2060.85±714 Ω，较高的内阻可能是限制电输出性能的主要因素。
Nutrients removal by MFCs
MFC预处理阶段对污染物的去除具有选择性。数据显示其对悬浮固体的去除率高达80.74±2.93%，消耗速率为587.50±21.29 mg·L-1·day-1。化学需氧量的去除率为56.24±0.38%，初始浓度从18030±42.43 mg·L-1显著降低，证明MFC对高浓度有机物的降解能力。然而，对氮磷营养盐的去除效果不显著，这反而为后续微藻生长保留了必要的养分。
Microalgae-bacteria production
在生物质生产方面，未预处理猪粪浆在15%稀释度下获得的生物质生产率(0.162-0.219 g·L-1·day-1)和细胞密度(7.05-7.43 Log cells·mL-1)与化学肥料对照组无显著差异。而MFC预处理后的粪浆在低稀释度(5%、10%)下生物质生产率有所下降，但在15%稀释度时仍能达到0.182 g·L-1·day-1，表明预处理虽降低了部分有机物，但核心营养元素仍足以支持微藻生长。
Nutrient recovery by microalgae-bacteria consortia
在单独微藻细菌系统处理稀释猪粪浆时，化学需氧量去除率为44%-67%，铵氮回收率超过99%，总氮和磷酸盐去除率分别达76%-85%和80%以上。值得注意的是，粪浆中的氮几乎全部以铵氮形式存在，未检测到亚硝酸盐和硝酸盐。微藻与细菌的共生关系显著提升了系统稳定性，细菌通过降解有机物产生二氧化碳，而微藻提供氧气形成良性循环。
Overall nutrient recovery by MFC-MB
集成系统的整体性能评估显示，经过MFC预处理和微藻细菌联合处理后，化学需氧量总回收率提升至56%-72%，铵氮回收率接近100%，总氮和磷酸盐回收率分别为78%-87%和61%-70%。与单独微藻处理相比，组合工艺在化学需氧量去除方面表现出明显优势，且出水中总氮浓度显著降低。
研究结论表明，离子液体微生物燃料电池与微藻细菌系统的协同作用成功实现了猪粪浆的全程资源化。这种集成策略不仅避免了传统全氟化物质子交换膜的环境风险，还同步实现了废水处理、能源回收和生物质生产的三重目标。离子液体膜技术虽在电化学性能上暂未超越Nafion?膜，但其环境友好性和成本优势为大规模应用提供了可能。
该研究的创新点在于首次将非全氟化离子液体膜应用于处理极高浓度有机废水，并系统验证了其在完整资源回收链条中的技术可行性。未来研究需重点关注离子液体的长期稳定性、潜在浸出行为及其生态毒性，并通过中试验证该集成系统在实际养猪场的运行效能。这一技术路线有望为集约化畜牧业废弃物的分布式处理提供新思路，推动农业循环经济发展。
