《RSC Advances》：Microbial fuel cell technology for clean energy production from palm oil mills effluent liquid waste
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本研究聚焦棕榈油厂废水（POME）的高有机负荷与环境污染问题，研发双室微生物燃料电池（MFC）系统，采用大肠杆菌（E. coli）与EM4菌群为催化剂，实现废水同步净化与生物电能回收：最高电压达1.617 V，功率密度174.075 mW·m?2，BOD与COD去除率分别达57%与42%，为可持续废水处理提供绿色能源方案。
全球棕榈油产业迅猛发展的背后，是巨量棕榈油厂废水（POME）的排放困境——这种非毒性但高浓度有机废水，若未经妥善处理直接排放，会因极高的化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）引发水体富营养化、破坏水生生态。传统物理化学预处理法虽能降低悬浮物与油脂，却面临化学药剂消耗量大、污泥产生多等瓶颈。与此同时，化石燃料为主的能源结构不仅加剧温室效应，更面临资源枯竭危机。如何将废水治理与清洁能源生产结合，成为环境科学与工程领域的迫切课题。微生物燃料电池（MFC）技术为此提供了新思路：它利用微生物代谢将有机废物中的化学能转化为电能，既能降解污染物，又可产出可再生能源，尤其适合偏远地区分散式污水处理与能源供给。然而，已有研究多聚焦单一功能（如产电或COD去除），且所用微生物（如保加利亚乳杆菌）培养条件苛刻、成本高昂，缺乏对常见菌种（如大肠杆菌）与混合菌群（如EM4）在POME处理中“产电-净化”协同效应的系统对比。
本研究以此为突破点，设计双室MFC反应器，以天然POME为底物，探究大肠杆菌（E. coli）与有效微生物群（EM4）在不同浓度下的产电性能、生物质生长动力学，以及对BOD、COD的去除效果，旨在为低成本、高效率的POME资源化处理提供理论与实验支撑。
研究团队采用双室MFC反应器（阴阳极均为碳基电极，面积7.84×10?3 m2），以低成本编织布替代商用质子交换膜；阳极室填充POME与菌液（E. coli或EM4），阴极室注入高锰酸钾（KMnO?）强化氧化还原电位；每2小时监测电压（V）、电流（mA）与pH，每6小时测定生物质干重；通过标准方法检测MFC处理前后COD（重铬酸盐闭流法）与BOD（五日培养法）变化，计算库仑效率与功率密度；样本源自印度尼西亚Pelaihari地区棕榈油厂原始废水。
微生在MFC中的生产力：生物量动力学特征
通过监测20%（v/v）E. coli浓度下生物量随时间变化，揭示微生物生长规律：0-2小时为延滞期，细菌适应环境；对数期呈现双峰生长（底物多重糖类代谢）；30小时生物量达峰值（0.3118 g·mL?1），对应产电上升阶段；此后因易降解有机物耗尽进入衰亡期。E. coli的最大生物量（0.2400 g·mL?1）与比生长速率（0.4332 h?1）均高于EM4（0.1680 g·mL?1，0.3091 h?1），证实其对POME有机物的快速适应与降解优势。
E. coli浓度对微生物生产力的影响
提高E. coli接种浓度（10%-25%）显著提升最大生物量与比生长速率，其中25%浓度时达最优（生物量0.3118 g·mL?1，产率0.0707 g·mL?1·h?1）；但30%浓度时因底物竞争与代谢副产物抑制，指标略降，表明过高菌浓反而不利于系统稳定性。
生化需氧量（BOD）与化学需氧量（COD）的削减
添加微生物显著提升污染物去除率：20% E. coli组BOD去除率达57%（对照组无显著下降），COD去除率为42%；同等浓度下EM4组去除率相近，但低浓度时E. coli更高效。高浓度（25%-30%）时因底物限制与代谢抑制，去除率略有回落，说明“菌量-底物”平衡是优化关键。
电能产出性能评估
产电与微生物生长紧密关联：E. coli组表现最佳，25%浓度时26小时达峰值——电压1.617 V、电流0.844 mA、功率密度174.075 mW·m?2；而20%浓度组虽产电略低，但污染物去除最显著，反映电子分流至非产电代谢路径。EM4组因菌群竞争，产电低于纯E. coli体系。功率密度随生物量增加而升，28小时后因底物耗尽逐渐下降，印证有机物可用性是产电限制因素。与现有研究对比，本体系在产电与污染物同步去除方面表现均衡，优于单一功能导向的微生物（如仅产电的金属还原菌）。
综合结果表明，双室MFC系统可高效实现POME“能源-环境”双重效益：E. coli在25%浓度时产电最优，20%浓度时污染物去除最强，差异源于电子分配机制——高产电时电子更多流向电极，高去除时则用于生物合成与发酵。EM4在长期发酵稳定上具潜力，但短时产电不及纯菌。这一发现为定制化MFC设计指明方向：若侧重能源回收，优选高活性单一菌种；若侧重废水净化，可调控菌群结构与底物比例。研究不仅验证了低成本材料（编织布、碳电极）的可行性，更为棕榈油产业的循环生物经济模式提供了技术原型——将废水从“负担”转化为资源，助力可持续水处理与清洁能源发展。
