废活性污泥的处理方法及其在渗透微生物燃料电池中增强电子传递的机制

《Water-Energy Nexus》：Treatment of waste activated sludge and the enhancement mechanism for electron transfer in an osmotic microbial fuel cell

OsMFC技术通过耦合膜分离与微生物燃料电池，实现剩余污泥（WAS）的协同脱水、有机质稳定及电能转化，较传统MFC提升最大功率密度至260 mW·m?2，COD去除率达76%，同时发现聚糖等膜污染物及Geobacter等产电菌群富集现象。

　　

李世龙|李琳|高秋生|贾彦彦|张恒亮|段亮|布鲁斯·E·里特曼

中国环境科学研究院环境标准与风险评估国家重点实验室，北京，100012，中国

摘要

渗透微生物燃料电池（OsMFC）是一种新型技术，能够在稳定和脱水废弃活性污泥（WAS）的同时实现发电和水的回收。通过研究发电情况、WAS的稳定性、微生物群落的变化、宏转录组的变化以及电子传递的增强机制，本研究表明OsMFC在处理WAS方面比传统的微生物燃料电池（MFC）具有显著优势。与典型的MFC相比，OsMFC在最大功率密度（260 mW·m^?2）、总化学需氧量（76%）的去除以及WAS的浓缩、脱水和水解方面表现更好。在OsMFC中，膜污染物主要由多糖、蛋白质和细胞组成，但反冲洗可以有效缓解孔隙堵塞，从而恢复膜的性能。产电菌属（如Geobacter和Rhodopseudomonas）在OsMFC中富集，这些菌属的能源生成和碳水化合物分解相关基因的表达也有所增加。更密集的生物膜、更高的微生物活性以及更高的细胞色素c浓度表明OsMFC中的电子传递得到了增强。本研究为OsMFC在更可持续的WAS处理中的应用奠定了基础。

引言

全球有超过58,000座污水处理厂（WWTPs）在运行中，随着经济发展和人口增长，这一数字将继续增加（Macedo等人，2022年；Li等人，2024年）。在污水处理过程中会产生大量废弃活性污泥（WAS），其处理和处置问题备受关注（Li等人，2023年）。WAS由微生物细胞和胞外聚合物物质（EPS）组成，富含氮、磷和碳资源（Wang等人，2023年）。传统的WAS处理技术会造成环境污染并浪费资源价值（Xiao等人，2023年）。通常需要一系列WAS处理步骤，例如污泥浓缩、稳定/消化、调理和脱水。根据联合国可持续发展目标，将WAS作为资源进行回收是一种可持续的解决方案。此外，WAS处理成本占污水处理厂运营成本的很大一部分（Li等人，2023年）。因此，能够同时实现WAS处理和资源回收的技术将优于传统方法。

渗透微生物燃料电池（OsMFC）已被应用于污水处理，并具有处理WAS的潜力（Li等人，2024年；Li等人，2025年；Zhang等人，2025年；Xue等人，2025年）。如图1所示，OsMFC可以氧化有机物并产生电能（Li等人，2023年）。OsMFC阳极处的微生物在厌氧条件下水解和氧化有机物。其中，产电细菌将有机物中的电子传递到阳极，然后通过电路传递到阴极，在那里电子将氧气（O₂）还原为H₂O。由于与正向渗透（FO）的耦合，阴极侧的吸液溶液将水分子从阳极侧拉到阴极侧，从而实现了阳极侧WAS的脱水。与MFC中的质子交换膜相比，由于存在水提取过程，通过膜传递的带水质子使得OsMFC的FO膜中的质子通量更高。这是OsMFC发电性能优于MFC的原因之一（Zhang等人，2011年）。由于FO技术的高去除率和低成本，它已被广泛研究并应用于WAS的浓缩和脱水，并显示出优异的性能（Yi等人，2022年）。

在处理废水时，由于WAS含有无机颗粒、微生物和EPS，OsMFC可能会出现严重的膜污染（Li等人，2025年；Li等人，2025年）。以WAS为底物的OsMFC中，通过将水从阳极输送到阴极来浓缩WAS会进一步加剧膜污染。因此，减轻膜污染尤为重要。

目前，关于OsMFC在WAS处理中的应用研究相对较少。之前的一项研究初步验证了其可行性（Xue等人，2025年），但仍需进一步阐明膜污染及其相关的电子传递机制。在本研究中，使用OsMFC处理WAS，以实现同时脱水和有机物稳定。我们分析了OsMFC在处理WAS时的性能，包括水通量、发电量和WAS的性质。基于表面形态、成分和表面特性分析了FO膜的污染情况，并研究了两种膜清洗方法的效果。通过群落结构和转录组分析揭示了OsMFC和WAS中微生物群落的变化。最后，阐明了电子传递的机制。

研究部分

OsMFC的设置和操作

共运行了三个反应器：一个以WAS为底物的MFC和一个OsMFC，以及一个以模拟市政废水为底物的OsMFC。模拟废水的成分可以在文献中找到（Li等人，2024年；Li等人，2023年）。

如图1（b）所示，OsMFC系统是一个双室反应器，阴极侧的吸液溶液为300 mL模拟海水（0.5 mol/L NaCl）。OsMFC和MFC的阳极溶液均为1 L WAS。在运行过程中，

OsMFC和MFC反应器的性能

通过15天的运行数据表明，WAS可以用作支持OsMFC和MFC运行的底物。分析了WAS的性质，以验证OsMFC处理对WAS的影响。

结论

与处理WAS的MFC相比，OsMFC在发电和WAS处理方面表现出显著优势。OsMFC的最大功率密度为260 mW·m?²，总化学需氧量去除率为76%，而MFC分别为87 mW·m?²和69%。此外，OsMFC还实现了WAS固体的浓缩、脱水和水解，这也有助于磷的释放。由于WAS中的固体会导致OsMFC中的严重膜污染，因此需要反冲洗来恢复水通量。

作者贡献声明

李世龙：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、方法学、研究、正式分析、数据管理、概念化。李琳：方法学、研究、正式分析、概念化。高秋生：可视化、方法学、研究、概念化。贾彦彦：软件、资源、研究。张恒亮：软件、研究、概念化。段亮：撰写 – 审稿与编辑、监督，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国中央公共研究机构基础研究基金（资助编号：2022YSKY-14）的资助。