《Journal of Environmental Sciences》：Low-carbon electro-assisted biological treatment of fluoronitrobenzene with DFT-guided cathodes and RSM optimization
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可持续碳中和技术需解决难降解废水处理问题。本研究开发不锈钢阴极电辅助生物处理系统，通过DFT计算揭示其强化学吸附（ΔEads=-1.31eV）和快速界面电子转移特性，实验验证电化学阻抗谱和线性扫描伏安法数据，结合响应面法优化关键参数（电压、污染物负荷、C/N比），实现扩容后系统稳定性达97.3%且抗冲击负荷能力提升40%，生命周期评估显示其全球变暖潜值比传统高级氧化工艺低4.7-9.1倍，为卤代芳香族污染物低碳治理提供新范式。
黄乐|葛志鹏|王西丽|刘家泽|冯华军|向海|郭巧琪
浙江中医药大学金华学院，中国金华321015
摘要
全球对碳中和的追求要求开发出可持续的技术来处理顽固的废水污染物。本研究提出了一种高性能的电辅助生物处理系统，用于降解氟硝基苯，该系统采用了不锈钢阴极。密度泛函理论计算显示其具有优异的性能：在不锈钢表面能够强吸附污染物并实现快速的界面电子转移。通过响应面方法对这一系统进行了优化，证明其在扩大规模后仍具有稳健的稳定性和对冲击负荷的强抵抗力。关键的是，生命周期评估定量表明，该系统的全球变暖潜能比传统的高级氧化工艺低4.7至9.1倍。通过将分子层面的机制与工艺工程及定量环境影响评估系统地结合，本研究确立了电辅助生物处理（EABT）系统作为一种低成本的污染物修复技术。
引言
碳中和的紧迫性推动了低能耗替代方法的发展，以去除持久性有机污染物。氟硝基苯（FNB）化合物广泛用于制药和农业化学品领域，由于其强C–F键（约485 kJ/mol）和吸电子的硝基，因此具有持久性和毒性。在各种环境介质中检测到这些化合物，凸显了有效修复的必要性（Chen等人，2022；Luo等人，2020；Rafieenia等人，2022；Xi等人，2024；Xu等人，2022；Zhang等人，2024）。当前的物理化学处理方法能耗较高，生命周期评估（LCA）研究表明，处理含FNB的废水会产生大量的二氧化碳当量排放（Kong等人，2023）。相比之下，电辅助生物处理（EABT）通过将电化学还原与微生物代谢结合，在温和条件下（<3 V）运行，显著降低了能耗并促进了高效的污染物脱氟（Feng等人，2017；Kong等人，2023；Zhang等人，2014）。尽管前景广阔，但EABT的效率严重依赖于阴极材料，而阴极材料决定了污染物的降解动力学，然而决定材料性能的基本机制仍不甚明了。
尽管最近的研究表明EABT系统可以实现超过60%的脱氟效果，但大多数实验仅限于小规模反应器（<1 L），并且依赖于单变量优化。这种方法忽略了污染物负荷、营养水平（C/N比）和施加电压等关键操作变量之间的复杂相互作用，从而严重限制了其实际应用（Jadhav等人，2017；Yan等人，2020；Zhu等人，2022）。因此，由于对控制系统稳定性和性能的参数协同作用理解不足，其向中试规模的转化受到阻碍。元分析表明，这种不恰当的参数化可能会使特定能耗增加30%或更多——这是实现碳中和目标的一个重大瓶颈（Addagada等人，2023；Beegle和Borole，2018；Wang等人，2022；Zou和He，2018）。此外，微生物途径在驱动氟硝基苯降解中的作用——特别是涉及好氧/非电活性脱卤的途径——仍不明确（Huang等人，2023；Li等人，2024；Liu等人，2025；Zhao等人，2024；Zheng等人，2024）。此外，明确其相对于现有技术的低碳优势对于广泛采用至关重要，而这在很大程度上被忽视了。
为了解决这些限制，本研究将基础科学与工艺工程相结合，验证了一种可靠且可扩展的EABT系统。首先，通过多尺度方法阐明了阴极的性能。密度泛函理论（DFT）计算揭示了其在电子转移方面的内在优势，电化学分析（如电化学阻抗谱和线性扫描伏安法）也证实了其长期耐用性。随后，这些材料特性与通过16S rRNA测序鉴定出的特定微生物群落的选择性富集相关联。其次，利用响应面方法（RSM）系统地优化了关键参数的交互效应，并在扩大规模的反应器中进行了验证，从而证明了系统的长期稳定性和对冲击负荷的强抵抗力。最后，我们进行了全面的生命周期评估（LCA），定量比较了该技术与传统高级氧化工艺的碳足迹，从而证明了其明显的环境优势。这项工作不仅推进了对电生物降解机制的理解，还为开发针对卤代芳香烃的低成本处理技术提供了实用的优化策略。
反应器配置与设置
在初始阶段，构建了三种不同阴极材料的EABT反应器，其中阳极使用钛网，阴极分别由不锈钢、石墨和钛制成。每种阴极材料设置了三个重复的反应器。所有电极的尺寸均为3.5厘米×3.5厘米×0.1厘米，每个反应器的有效体积为130毫升。控制系统包括一个纯生物反应器（BS，无电压）
阴极的关键作用：整合电化学、理论和微生物分析
选择合适的阴极材料对EABT系统的效率至关重要，因为它直接决定了目标污染物的还原降解速率。在测试的材料中——石墨（GP）、不锈钢（SS）和钛（Ti）——基于GP和SS的系统在所有异构体上的去除效果均优于生物对照组（BS）和不含生物成分的电化学系统（ECS）。如图1a-c所示，SS和GP阴极
结论
本研究展示了一种高性能且可扩展的EABT系统，用于降解顽固的氟硝基苯。其高效率的关键因素是污染物与SS阴极之间的强化学吸附（ΔEads = -1.31 eV）和快速的界面电子转移。该过程通过响应面方法成功进行了扩大规模和优化，表现出优异的长期运行稳定性和对冲击负荷的强抵抗力。重要的是，生命周期评估（LCA）量化了其
附录A 补充数据
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CRediT作者贡献声明
黄乐：撰写——初稿，数据整理。葛志鹏：数据可视化，数据整理。王西丽：方法论，实验研究。刘家泽：方法论，实验研究，数据整理。冯华军：撰写——审稿与编辑，资金筹集。向海：撰写——审稿与编辑，资源管理，项目协调。郭巧琪：撰写——审稿与编辑，项目协调，概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了浙江省先锋引领计划（编号：2023C03149）的支持。
