用于处理造纸废水的微生物燃料电池的性能与微生物群落动态

《Journal of Water Process Engineering》：Performance and microbial community dynamics of microbial fuel cells for treating papermaking wastewater

　　

• •
  研究提出了一种基于MFC的造纸废水处理方法。
• •
  MFC在发电的同时能够高效去除污染物。
• •
  该系统还富集了具有降解和电子传输功能的微生物群落。

引言

造纸工业在全球经济中占据重要地位，其市场规模持续稳定增长[1]。然而，行业的快速发展导致了大量废水的产生，这些废水主要来自制浆、漂白和纸张制造过程。这类废水中含有多种复杂污染物，如不饱和脂肪酸、树脂酸、木质素及其衍生物、氯代酚以及不饱和芳香化合物[2]。高有机负荷使得废水的化学需氧量显著升高，增加了处理难度[3]。此外，制浆和漂白过程中使用的化学药剂还会进一步提升废水的毒性。如果处理不当，造纸废水会造成严重的环境污染，并对人类健康构成威胁[4]。

为符合环保法规，造纸厂必须以标准化方式处理废水。目前，已有多种处理方法被用于应对造纸废水的复杂成分。物理分离方法，如纳米纤维膜过滤，能有效去除悬浮颗粒，但对可溶性有机物的去除效果有限[5]。絮凝法通常需要严格控制pH值并进行预处理，这会增加成本[6]。化学氧化方法，如芬顿反应，虽能降解芳香化合物，但可能会产生二次污染[7]、[8]。活性污泥等生物处理方法可以减少化学试剂残留，并有效去除可生物降解的有机物，但其除氮除磷效果有限，对难降解有机物的降解能力较差，且水力停留时间较长[9]。为克服这些局限，人们开始探索先进的生物处理技术以实现废水处理与资源回收。厌氧膜生物反应器能够去除有机物并回收甲烷，但其易受膜污染影响，且对厌氧环境要求严格[10]。微生物电解池则能增强污染物降解能力并回收氢气或甲烷，但需要外部电压输入[11]。这些挑战凸显出开发既能去除污染物又能实现资源回收的低能耗技术的必要性。

在此背景下，微生物燃料电池作为一种将废水处理与能量生成相结合的创新技术，受到了广泛关注。在微生物燃料电池中，电活性微生物可氧化有机底物，从而同时实现污染物去除与能量回收[12]。近期研究进一步证明了微生物燃料电池在可持续废水处理和能源回收方面的潜力[13]、[14]。与传统技术相比，微生物燃料电池具有操作简单、运行条件灵活、二次污染少、无需外部电压输入以及可同步发电等优点。从理论上讲，任何有机物均可作为燃料，微生物燃料电池已成功应用于猪场废水、电镀废水以及石油炼制废水等多种类型的废水中[15]、[16]、[17]。鉴于造纸废水具有较高的有机负荷，它非常适合采用基于微生物燃料电池的处理与资源利用方法。凭借其清洁能源产出、可规模化应用以及适应不同类型废水的能力，微生物燃料电池被视为集成废水处理与生物能源回收的下一代优质技术平台[18]、[19]。

尽管前景广阔，微生物燃料电池仍处于发展初期，面临着电极成本高、电压输出低以及能量转换效率有限等挑战[20]。近年来，人们致力于优化电极材料与反应器设计，以提升微生物附着效率、降低内阻、增强细胞外电子传递能力，并提高功率输出[14]、[21]、[22]。其他优化研究也强调了在微生物燃料电池系统中同步提升COD去除效率与功率输出的重要性[23]。此外，微生物群落的富集与调控同样至关重要，因为电能的产生本质上依赖于微生物群落的协同代谢。微生物群落的组成会直接影响污染物的降解程度、生物电输出以及系统的运行稳定性[24]、[25]。通过群落分析，可以了解废水处理过程中微生物的丰度、多样性及空间分布情况，从而为优化微生物燃料电池的性能提供依据。微生物燃料电池运行时产生的电流会改变微生物群落的组成与活性，进而影响电能产出与污染物降解效果。将微生物数据与电化学特性分析相结合，还有助于针对性地富集高活性的电活性菌株，为提高废水处理效率与能源回收率奠定基础。

本研究采用双室微生物燃料电池系统处理造纸废水，并评估其用于废水资源利用的潜力。与以往许多使用预处理废水、外部接种菌或优化合成底物的研究不同，本研究直接使用未经处理的强浓度造纸废水作为阳极溶液和微生物来源。研究中采用了镍泡沫阳极，以促进微生物附着、生物膜形成以及电子传递。系统性能通过COD、总磷和总氮的去除率以及电能产出情况来评估。研究还通过16S rRNA高通量测序技术分析了微生物燃料电池处理前后微生物群落的结构变化。通过整合污染物去除效果、电化学性能、阳极生物膜状况以及微生物群落动态等信息，本研究揭示了在实际造纸废水处理条件下，废水处理与生物发电之间的耦合机制。

章节摘要

废水与化学试剂

本研究所用的造纸废水取自山东坤盛环保科技有限公司。Nafion 117质子交换膜购自美国杜邦公司，镍泡沫和碳纸则购自苏州圣尔诺科技有限公司。实验中使用的所有化学试剂，包括Na₂HPO₄·12H₂O、NaH₂PO₄以及K₃[Fe(CN)₆]，均购自天津凯通化学试剂有限公司，均为分析级产品

微生物燃料电池发电性能分析

评估微生物燃料电池的发电性能通常需要监测输出电压、功率密度以及库仑效率等关键参数，这些参数共同反映了系统的发电能力与能量转换效率。此类分析为判断微生物燃料电池的实际应用潜力提供了重要的理论与实验依据。为评估微生物燃料电池在处理造纸废水时的发电性能，研究者们

结论

本研究表明，在实验室条件下，微生物燃料电池可用于同时实现造纸废水处理与生物发电。所构建的PW-MFC系统直接使用未经处理的造纸废水，不仅实现了高效的污染物去除，在主排放阶段还能保持稳定的电压输出，其峰值功率密度可达100.5?mW?m^?2。微生物群落分析结果显示，微生物燃料电池的运行促进了具有更强有机物降解能力的微生物群体的富集

作者贡献说明

赵伟佳：论文撰写——初稿撰写、方法设计、实验研究、数据整理。曹欣瑞：实验研究、数据整理。宋文旭：方法设计、实验研究。楚彦萌：实验研究。岳文迪：实验研究。赵凤春：监督指导、实验研究。杨正友：监督指导、实验研究、概念构思。王慧敏：论文撰写——审阅编辑、项目管理、实验研究、概念构思。

利益冲突声明

所有作者均声明不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了中国山东省自然科学基金（编号：ZR2023QC184）以及中国国家自然科学基金（编号：31772060）的资助。

Weijia Zhao|Xinrui Cao|Wenxu Song|Yanmeng Chu|Wendi Yue|Fengchun Zhao|Zhengyou Yang|Huimin Wang