《Journal of Cleaner Production》：Bioelectrochemical enhancement for polycyclic aromatic hydrocarbons degradation in saline wastewater
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•弱电干预可减轻盐分对PAHs生物降解的抑制作用。•PAHs生物降解过程中产生的电子有助于提升CH4和H2的产量。•弱电场能提升高盐度废水中的微生物活性。•该技术可使煤化工废水处理中的COD去除效率提高近一倍。引言工业活动的快速发展导致含有高浓度盐分及难降解有机污染物的废水不断增
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弱电干预可减轻盐分对PAHs生物降解的抑制作用。
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PAHs生物降解过程中产生的电子有助于提升CH4和H2的产量。
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弱电场能提升高盐度废水中的微生物活性。
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该技术可使煤化工废水处理中的COD去除效率提高近一倍。
引言
工业活动的快速发展导致含有高浓度盐分及难降解有机污染物的废水不断增加，给环境和健康带来严重威胁（Bai等人，2025）。高盐度废水通常含盐量占总质量的1%以上，多来自煤化工、石油和纺织行业（Chen等人，2020）。若处理不当，这类废水不仅会浪费宝贵的盐资源，还会导致土壤盐碱化、水体富营养化以及水质恶化（Chen等人，2024）。据统计，中国的高盐度废水约占全部废水的5%，且这一比例每年以2%的速度上升（Wang等人，2019）。这些数据凸显出亟需有效的可持续处理方法。
多环芳烃是一类稳定性极高、难以降解的有机污染物，常见于高盐度工业废水，如煤化工过程中的排放物（Zhao等人，2018）。传统厌氧消化技术虽对PAHs降解有一定效果，但在高盐环境中由于微生物受压及酶活性下降，其效率会大幅降低（Shi等人，2021；Wang等人，2025）。高盐度不仅会抑制微生物代谢，还会干扰胞外聚合物的产生，进一步降低生物降解效率（Huang等人，2024）。因此，提升微生物对盐分胁迫的耐受性是实现高盐度废水中高效去除PAHs的关键。
有研究表明，包括低电压电刺激在内的电化学干预方法能在胁迫条件下显著提升微生物活性及污染物降解效率（Ding等人，2021）。低于0.9伏的弱电流可提高膜通透性，促进酶反应，并促使低分子量胞外聚合物的分泌，从而增强微生物的适应能力和代谢活性（Feng等人，2022）。此外，在高盐环境中，适度的电刺激还能提升溶液导电性，优化电子传递，加速难降解有机化合物的降解，同时提高沼气产出率（Leicester等人，2020）。
目前已有研究尝试将电化学干预与厌氧消化处理及能量回收相结合用于各类废水处理。Dash等人发现，结合导电介质的电化学辅助厌氧反应器在处理灰水时，不仅能显著提升甲烷产量，还能促进电共生微生物间的相互作用（Dash等人，2024）。Xin等人则发现，在NaCl导致的高导电性条件下，电辅助厌氧消化可提高生物甲烷产量，并改变与电子传递途径相关的微生物群落结构（Xin等人，2024）。此外，微生物电解池-厌氧消化系统在处理高盐度垃圾填埋场渗滤液方面也表现良好，既能有效去除有机物，还能富集具有电活性的微生物（Zhu等人，2024）。这些研究表明，弱电流辅助的厌氧系统在高盐环境下具有提升污染物降解效率和能量回收潜力的优势。不过，将其应用于含有复杂PAHs和难降解有机物的实际煤化工废水方面的研究还相对不足。
尽管低电压电辅助厌氧系统在提升微生物活性和污染物去除效率方面表现良好，但大多数现有研究都是在实验室条件下，使用合成废水或单一模型污染物进行的。关于其在实际高盐度工业废水中的应用情况，尤其是含有复杂PAHs和其他难降解有机物的煤化工废水，相关研究资料十分有限。此外，在高盐环境下同时实现高效污染物去除和能量回收的可行性也尚未得到充分探索。由于实际工业废水的复杂性远高于合成系统，了解弱电流辅助厌氧消化在真实操作条件下的性能，对于评估其工程应用价值至关重要。
我们推测，弱电流干预能够缓解盐分对厌氧微生物的抑制作用，从而提升高盐度煤化工废水处理过程中PAHs的降解效率，并促进能量回收。在本研究中，首先利用实验室配制的含PAHs的高盐度废水，在控制条件下测试了弱电流辅助厌氧反应器的性能，为后续在实际煤化工废水中的应用奠定基础。随后将该反应器用于实际煤化工废水处理，评估其去除难降解有机污染物以及以甲烷和氢气形式回收能量的效果。同时，还分析了微生物活性和群落演变情况，探讨实际废水处理过程中弱电流干预所引发的生物学响应。这些研究结果为弱电流辅助厌氧技术在高盐度工业废水处理及资源回收领域的应用提供了重要参考。
章节要点
反应器的构建与运行
如图1所示，该单室低电压干预反应器为圆柱形玻璃容器，直径4厘米，高度10厘米，总体积100毫升。容器设有三个内径均为1厘米的开口，分别用于安装阳极、阴极和参比电极。阳极由PANEX 33160K纤维制成，尺寸为2.5厘米×2.5厘米×12厘米，表面积为0.22平方米。
弱电流对PAHs厌氧降解的促进作用
无论是在人工合成的多环芳烃废水还是实际高盐度煤化工废水处理中，引入弱电流干预都能显著且稳定地提升有机污染物的降解效率。本研究在一个反应周期内分析了弱电流干预以及不同盐度条件对系统有机污染物降解效率的影响。图2a和图2b清晰展示了相关对比结果。
结论
弱电场的应用有助于优化电子传递，同时增加产甲烷菌和耐盐细菌的数量，从而提升反应器内微生物群落的丰富度和均匀性。在人工合成的多环芳烃废水以及实际高盐度煤化工废水处理中，弱电流干预不仅提升了污染物降解的效率和速率，还提高了气体产出性能。
日期
本研究期间生成或分析的所有日期均记录在本文及其补充材料中。
资助支持
本研究得到了中国教育部基础学科拔尖计划（项目编号：JYB2025XDXM906）、国家自然科学基金（项目编号：52321005）以及深圳市科技计划（项目编号：JCYJ20241202123900001、SYSPG20241211173609007）的支持。
作者贡献说明
杨立航：概念设计、定量分析、数据可视化、初稿撰写。周迪迪：定量分析、实验研究、方法设计。马玉英：定量分析、实验研究、监督指导、数据可视化。Ezzat H. Elshazly：概念设计、监督指导。刘文宗：概念设计、资金申请、资源协调、监督指导、结果验证、论文修订与润色。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本论文研究成果的已知财务利益关系或个人关联关系。
致谢
本研究得到了中国教育部基础学科拔尖计划（项目编号：JYB2025XDXM906）、国家自然科学基金（项目编号：52321005）以及深圳市科技计划（项目编号：JCYJ20241202123900001、SYSPG20241211173609007）的支持。
Lihang Yang|Didi Zhou|Yuying Ma|Ezzat H. Elshazly|Wenzong Liu
