综述：集成于人工湿地的微生物燃料电池：当前状态、挑战和机遇的系统综述

《Frontiers in Environmental Science》：Microbial fuel cells integrated in constructed wetlands: systematic review on current status, challenges, and opportunities

　　

摘要
引言：人工湿地（CWs）被广泛用作低能耗、基于自然的废水处理系统，特别是在分散化背景下，而微生物燃料电池（MFCs）正越来越多地被研究用于通过生物电化学过程回收能量，这些过程得益于CWs内存在的氧化还原梯度。这两种可持续解决方案的集成因其产生协同效益的潜力而受到越来越多的关注。然而，尽管关于CW-MFC系统的研究数量不断增加，但在系统设计、性能结果和强化策略（通过加速反应速率、改善电子传输和维持氧化还原分层以实现稳定系统运行来提高过程效率的方法）方面仍然缺乏综合性的综述。因此，存在几个关键的知识空白，包括关于长期稳定性和耐久性的报告有限、经济评估不足、缺乏标准化的设计和性能指标，以及微生物群落结构和功能的代表性不足。
方法：本综述涵盖了2010年至2026年间在世界多个地区发表的CW-MFC研究，包括实验室、中宇宙、中试和全规模系统，重点关注系统设计、操作策略、微生物过程、处理和能量回收性能。
结果：大多数CW-MFC研究处于实验室和中试规模，全规模应用有限，其性能主要取决于反应器和流态配置、电极材料及其定位、基质类型和氧化还原梯度分布。许多研究报告了令人鼓舞的化学需氧量（COD）和营养物去除效率，去除率高达99% COD、95%总磷（TP）和100%铵氮（NH₄⁺-N）。与常规CWs相比，CW-MFC系统通常改善了有机物和营养物的去除；然而，回收的电能通常较低，并且随着系统规模的增大而趋于下降。
讨论：总体而言，CW-MFC系统最好被视为可持续的多功能废水处理技术，而不是主要的能量回收系统，因为其实际可行性更多地受到长期稳定性、材料耐久性和经济报告不足的限制，而非处理性能。

1 Introduction：论文首先介绍了人工湿地（CWs）作为低能耗、基于自然的废水处理系统，以及微生物燃料电池（MFCs）通过生物电化学过程回收能量的原理。指出CWs与MFCs的集成（CW-MFC）因潜在协同效益而受到关注，但现有研究在系统设计、性能结果和强化策略方面缺乏综合评估。强调存在多个知识空白，包括长期稳定性与耐久性报告有限、经济评估不足、缺乏标准化设计与性能指标，以及微生物群落结构和功能未被充分表征。

2 Methodology：本综述遵循PRISMA框架，从Scopus和Web of Science数据库检索2010至2026年间相关文献，共获得62篇进行全文评估。文献计量分析采用pyBibX库和VOSviewer工具，通过关键词共现网络揭示研究主题结构。数据定性合成聚焦于集成设计、微生物动态、性能指标、经济挑战及规模化潜力。

3 Results and discussion
3.1 Data analysis and visualization：文献类型以研究文章为主（80%），综述占20%。学科领域集中在环境科学（24篇）、环境工程（14篇）等。年发文量自2018年起显著增长，2023年达峰值（9篇）。国家分布中，中国（14篇）、印度（11篇）和西班牙（8篇）领先。关键词共现网络分为三个簇：蓝色簇强调MFCs与废水处理、营养物去除和生物电产生；绿色簇以CWs为中心，连接处理、发电和系统性能；橙色簇关注性能评估，涉及去除率、污泥和电力生产。

3.2 CW-MFC integration strategies and design architectures
3.2.1 CW-MFC design：多数研究为实验室或中试规模，全规模应用有限。性能取决于反应器配置（如水平潜流HSSF、垂直潜流VSSF）、电极材料（碳基、金属基等）、定位及基质类型。不同气候区域影响设计策略，热带地区侧重微生物活性，温带地区优化氧化还原梯度。新兴设计包括自分层无膜系统、多电极阵列及电活性生物膜湿地（如METland）。

3.2.2 Integration of MFCs in CWs systems：物理集成方式直接影响内阻、氧化还原分层及输出性能。研究从简单嵌入式设计向混合、多阶段和生物电化学湿地演变，强调氧化还原梯度的工程化比单一架构更重要。多电极阵列（串联、并联）可降低内阻并提高功率密度。部分系统通过曝气增强阴极氧还原反应，但增加能耗。

3.3 Electrode design: materials, positioning, and connectivity
3.3.1 Electrode positioning and redox separation：电极定位对建立稳定氧化还原分离至关重要。阳极应置于严格厌氧区以促进电活性微生物活性，阴极置于富氧区以利于氧还原反应。不充分分离会导致氧扩散进入阳极，降低库仑效率。电极间距需平衡内阻与氧化还原分层。

3.3.2 Electrode materials：材料分为碳基（碳毡、石墨、活性炭等）、金属基（不锈钢、铝、钛等）和导电生物滤料。碳基材料因高导电性、化学稳定性和生物相容性被广泛采用；金属基电极虽有高导电性但易腐蚀。活性炭基阴极因高孔隙率和氧还原反应催化性能成为优选。

3.3.3 Electrical connectivity, internal resistance, and durability of the electrodes：碳基电极成本低、导电性好且生物相容，金属基电极（如钛）适合长期运行但贵。铜主要用作连接线。活性炭阴极的粘结剂（如聚四氟乙烯PTFE、聚乙烯醇PVA）影响疏水性和耐久性。综合而言，材料选择、空间定位与电连接共同确保氧化还原分离和内阻降低，比单一参数更关键。

3.4 System size, hydraulic configuration, and scaling behavior in CW–MFC systems：系统规模从实验室（<1 L）到全规模（>5000 L），水力停留时间（HRT）从数小时到数周。小型系统功率密度较高，用于机理研究；大型系统以处理为主要目标，功率密度下降。连续流模式占主导（>50%），批次/脉冲流用于增强曝气。功率密度随规模增大而降低，归因于水力变异性、氧化还原不稳定性和内阻增加。

3.5 Substrates and media engineering in CW–MFC systems：基质包括传统矿物（砾石、砂）、工业制品（LECA）、工业副产品（jhama砖）及创新导电基质（煅烧石油焦）和反应性基质（沸石、活性炭等）。多层基质可工程化氧化还原分区。基质选择影响水力传导性、孔隙率、微生物定殖及电子传递，是过程优化和长期可持续性的关键变量。

3.6 Influent types and organic load：进水类型多样，以实际生活污水为主（COD 230–800 mg/L），其次为合成废水（150–1000 mg/L）和工业/农业废水（高达3800 mg/L）。高浓度废水有利于能源回收，低浓度废水主要改善处理效果。不同电导率和营养物含量的进水影响电化学性能。

3.7 Microbial community structure, inoculation strategies, and functional implications
3.7.1 Bioaugmentation strategies and microbial colonization in CW-MFC systems：生物强化常引入电活性菌（如Geobacter、Shewanella、Pseudomonas）以加速阳极生物膜形成。预驯化期有助于微生物群落适应环境。接种策略影响系统启动和稳定性能。

3.7.2 Limitations of microbial characterization and reporting：超过50%的研究未进行微生物分析，报道的微生物群落以变形菌门（Proteobacteria）为主，电活性菌如Geobacter和Shewanella常见。缺乏标准化微生物表征限制了污染物降解和产电机制的理解。

3.8 Wastewater treatment performance and energy recovery
3.8.1 Organic matter and nutrient removal mechanisms and efficiency：CW-MFC系统相比常规CWs在处理有机物和营养物方面表现更优，COD去除率可达99%，总磷（TP）去除率95%，铵氮（NH₄⁺-N）去除率100%。去除机制包括生物降解、吸附、沉淀、植物吸收等，多机制协同作用。

3.8.2 Biomass production and biofilm development：生物量生产是报告最少的指标之一。少数研究通过生物膜积累或植物生物量定量，但数据有限。生物量影响氧气供给、根系分泌物和碳储存。

3.8.3 Power and current densities：功率密度主要基于电极面积或反应器体积报告（mW/m²、mW/m³）。厌氧阳极条件有利于高功率（如3417 mW/m³），好氧条件功率较低。碳基电极因高比表面积提升产电。总体而言，集成MFC改善处理性能，但能源回收次要且随规模增大受限。

3.9 Economic feasibility, system stability, and scalability
3.9.1 Capital and operational cost considerations：成本数据极少报告，仅有少数研究提及电极材料成本（如PVA约2 USD/kg，PTFE约6 USD/kg，活性炭0.3–3 USD/kg）。运营成本通常低，资本支出受材料选择影响。使用低成本本地材料（如废砖）被认为可持续。

3.9.2 Energy and cost reporting gaps：能量消耗报告极少（仅两项研究，分别为0.007 kWh/m³和0.0045 kWh/m³）。经济可行性仅定性描述（如“低成本”、“可行”），缺乏成本效益分析、投资回收期等定量数据。

3.9.3 Sustainability considerations：可持续性体现在资源循环（如废砖基质）、低成本材料（如生物炭电极）、低能耗运行及长期运行（>160天）。部分研究涉及温室气体和碳效应。

3.9.4 Long-term system stability and durability：系统稳定性通过处理效率波动、电压变化、季节性敏感性和电极退化评估。部分系统稳定运行超过600天，但稳定性参数报告不完整。电极材料（如PTFE阴极）和操作条件影响长期性能。

3.9.5 Pilot- and full-scale scalability pathways：少数研究实现了中试或全规模验证（如METland系统、多阳极-单阴极设计）。模块化设计因易维护和水力控制成为规模化趋势。规模化面临成本、材料耐久性和经济评估不足等挑战，强调处理功能优于能源回收。

4 Conclusions and recommendations：综述指出，污染物去除性能比产电更易规模化；系统性能更多取决于氧化还原分层、电极定位和基质特性，而非具体构型；CW-MFC应视为电化学强化处理系统而非能源回收技术。未来研究需优先开展长期连续流真实废水实验，开发低成本耐久电极，统一统计报告标准，并加强可持续性和经济性评估。