创新的三明治电极组装生物电化学系统，用于高效去除低导电性地下水中的有机污染物

《Water Research》：Innovative Sandwich Electrode-Assembled Bioelectrochemical System for Efficient Organic Pollutants Removal in Low-Conductivity Groundwater

本研究开发了一种夹心电极组装的BES（SEA-BES），通过非 woven separator将电极间距降至微米级，显著降低低导电性地下水中的溶液电阻（从66.5Ω降至1.0Ω），并实现高效硝基苯降解（速率常数提高39%）。采用间歇电刺激模式，能耗降低至0.086 kWh/mg COD，且经46天中试验证运行稳定，为低导电性地下水修复提供新方案。

　　

梁旭翔|李平丽|杨婉月|黄丽杰|季云|王新月|曾欣|向海|丁阳城|冯华军

浙江农林大学碳中和学院环境与资源学院，中国浙江省杭州市311300

摘要

快速的工业化导致了全球范围内广泛的地下水污染。生物电化学系统（BES）作为一种有前景的原位地下水修复技术，受到天然地下水低导电性（< 1000 μS cm^-1）的限制。为了解决这一难题，本研究开发了一种夹层电极组装的BES（SEA-BES），以硝基苯（NB）为例评估了其污染物去除性能，并进行了中试规模测试。使用非织造布隔膜将SEA-BES电极间距减小到微米级别。SEA-BES显著降低了低导电性地下水中的溶液电阻（从传统BES的66.5 Ω降至250 μS cm^-1时的1.0 Ω），并且实现了较低的能耗（0.086 kWh mg^-1 COD）。对硝基苯去除过程的伪一级动力学分析（初始硝基苯浓度：40 mg L^-1；处理时间：24 h）显示，SEA-BES的速率常数显著更高（0.1149 h^-1，R²=0.9985），是传统BES（0.0827 h^-1，R²=0.9991）的1.39倍。这种提升主要归因于优化的电子转移（尤其是直接的电子转移）、富集的目标功能菌株（例如Methanobacterium）以及减少了对EPS介导的应力补偿的依赖。此外，本研究还开发了一种间歇性电刺激模式，以提高适用性并降低能耗，实现了74.23%的TOC矿化率，比连续刺激模式高出18.32%。46天的中试测试证实了该技术的稳定性。总之，带有间歇性电刺激模式的SEA-BES为修复低导电性有机污染物污染的地下水提供了一种高效、低能耗的解决方案。

引言

近几十年来，快速工业化使工业废水成为地下水污染的主要来源（Zhou等人，2025年）。大多数国家（如美国、中国、比利时、印度、阿根廷）都面临地下水污染问题，其中中国超过60%的地下水质量较差或极差（例如COD > 3.0 mg L^-1，NO₃^--N > 20 mg L^-1）（Bagordo等人，2016年；Hou等人，2018年）。地下水污染已成为一个全球性的关键挑战，主要污染物包括持久性有机物（如氯化烃）、重金属（如Cr(VI）和硝酸盐（Khan等人，2022年；Verma等人，2023年；Li等人，2024年）。这些污染物不仅降低了地下水质量，还通过食物链积累和直接暴露对生态稳定性和人类健康构成严重威胁。传统的地下水修复技术主要分为物理修复（如抽水处理）、化学修复（如化学氧化还原）和生物修复（Yang，2025年）。尽管传统修复策略在某些条件下有效，但由于高能耗、使用有害化学物质以及潜在的二次环境影响（Vilhunen和Sillanp??，2010年），它们受到了越来越多的批评。因此，迫切需要开发和实施高效的修复技术。

生物电化学系统（BES）是一种环保且无二次污染的技术，已成为有前景的原位地下水修复技术。它们已成功应用于多个环境领域，包括废水、地下水和土壤，不仅减少了污染物负荷，还有助于恢复生态平衡（Zhang等人，2012年；Li等人，2021年；Wang等人，2025a）。在BES的关键功能模块中，阳极是微生物介导的有机污染物转化的主要场所。例如，Yin等人（2024年）证明，配备空间组装二元碳阳极的BES表现出最佳性能，平均COD去除率为0.442 kg m^-3 d^-1。相比之下，阴极负责驱动目标污染物的还原。Molognoni等人（2017年）报告称，一个连续运行27天的双室BES反应器在阴极室实现了超过90%的硝酸盐去除效率。最近，大量研究集中在优化BES配置（如电极材料、间距和反应器尺寸）以及开发先进的电极材料上，以提高BES的污染物降解性能（Su和Chen，2022年）。例如，纳米材料和导电聚合物的加入不仅增加了电极表面积和导电性，还增强了微生物的附着能力，从而提升了对污染物降解至关重要的氧化还原反应（Kong等人，2023年）。这种修复和能量回收的双重能力使BES成为可持续环境管理技术的前沿。

然而，实际地下水的导电性通常较低（< 1000 μS cm^-1；Puig等人，2012年），这严重限制了BES的应用（Yang等人，2021年）。低导电性增加了内部电阻，阻碍了离子传输，并降低了电子转移效率，从而限制了污染物降解。例如，Puig等人（2012年）表明，将溶液离子强度从4078 μS cm^-1降低到1021 μS cm^-1可使离子传输过电位增加80%，功率密度从400 mW m^-2降至100 mW m^-2，硝酸盐去除率从0.105 mM-N h^-1降至0.076 mM-N h^-1。因此，实现低导电性地下水中的高效污染物降解是推进基于BES的修复技术的关键。

一种常见的解决方案是在地下水环境中添加电解质，如NaCl（Pous等人，2015年）和NaHCO₃（Tong和He，2013年）。提高基质的盐度可以增强离子传输，从而改善电活性生物膜（EAB）的电子转移和功率性能。然而，仍存在一些理论和实际挑战尚未解决：（1）向原位地下水中添加液态电解质可能因稀释而效果有限，较高的电解质浓度会增加修复成本并导致二次污染。（2）多种电解质引起的高盐度可能对电活性微生物（EAMs）的活性产生负面影响。（3）某些电解质（如SO₄^2-）可能与阳极竞争电子，导致电子损失（Zhao等人，2022年）。因此，迫切需要一种能够自然适应低导电性条件而不依赖外部化学输入或复杂后处理程序的新型BES配置。

因此，本研究开发了一种创新的夹层电极组装的BES（SEA-BES），并重点关注三个核心目标。首先，旨在研究其在低导电性条件下的性能提升机制，与传统BES相比。其次，评估其对典型地下水有机污染物的降解效率，以硝基苯为例。第三，验证其长期运行稳定性。

SEA-BES构建

• （1）
  实验室规模的SEA-BES
  SEA-BES的组装过程如图S1所示。它是一个单室玻璃反应器（200 cm³），配有聚四氟乙烯密封盖。电极是生物相容性碳毡（有效面积：8 cm²），通过直径1毫米的钛线连接到外部电路。靠近阳极的参比电极为Ag/AgCl电极（+197 mV vs. SHE），电压由外部可编程电源（Model KA3005D，中国 Kerryuan）提供。

SEA-BES在低导电性地下水中的性能和机制

低地下水导电性会导致BES内部电阻增加，从而降低其性能。为了解决这个问题，开发了一种将隔膜夹在阳极和阴极之间的SEA-BES反应器，以减小电极间距，从而减轻低导电性引起的高电阻，实现高效有机污染物去除（图1A）。本研究采用< 1000 μS cm^-1作为实验设计的特定范围（Puig等人，2012年）。

结论

为了解决低地下水导电性导致的生物电化学系统（BES）降解能力减弱的问题，本研究开发了一种夹层电极组装的BES（SEA-BES）并优化了其操作方式。得出的结论如下：

●

在微米级电极间距和非织造布隔膜的情况下（进水TOC：20 mg L^-1；处理时间：24 h），SEA-BES将溶液电阻从传统BES的66.5 Ω显著降低到SEA-BES的1.0 Ω（250 μS cm^-1）

未引用的参考文献

Khan等人，2023年；Cheng等人，2018年

CRediT作者贡献声明

梁旭翔：撰写 – 审稿与编辑。李平丽：撰写 – 原稿。杨婉月：撰写 – 原稿。黄丽杰：数据管理。季云：实验研究。王新月：方法学设计。曾欣：概念构思。向海：数据分析。丁阳城：软件应用。冯华军：验证与监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了浙江省“领头鹅”研发计划（编号2025C02235）和浙江省大学生科技创新活动计划（新种子人才计划补贴项目，2024R412C058）的支持，以及医药和化工园区——原“海峰医药和化工”地块的土壤和地下水污染控制与修复中试和试点工厂技术方案的支持。