《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Rapid screening approach to evaluate MEC performance for biohydrogen production using synthetic and real organic waste-derived substrates
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本研究提出了一种快速筛选方法，用于评估微生物电解池（MEC）在不同水力条件下的性能，能够快速识别最佳MEC操作窗口。通过逐级提高稀释率（D），水力筛选快速识别出性能平台（D≥13.7 d-1）。在所有测试条件下，实现了接近完全的电子回收为
本研究提出了一种快速筛选方法，用于评估微生物电解池（MEC）在不同水力条件下的性能，能够快速识别最佳MEC操作窗口。通过逐级提高稀释率（D），水力筛选快速识别出性能平台（D≥13.7 d-1）。在所有测试条件下，实现了接近完全的电子回收为氢气（阴极库仑效率CCE≈100%）。与单阴极构型相比，双阴极构型使电流密度最大提升46%，总能量效率（ηE）最大提升32%。
随着全球温室气体减排需求日益紧迫，氢被视为清洁能源载体，但传统制氢依赖化石燃料。微生物电解池（MEC）因能在温和条件下将有机废物转化为氢气而受到关注，尤其使用混合微生物培养物时可同时实现废物处理与能源回收。然而，MEC性能受底物组成、水力条件、电化学参数等多种因素耦合影响，真实废物底物的复杂性更增加了操作难度。现有研究多集中于特定参数的长期优化，耗时且难以快速识别有效操作边界。因此，本研究提出一种快速筛选方法，通过逐级改变水力负荷快速评估MEC性能，并探索双阴极反应器构型的潜在优势。该成果发表于《Sustainable Energy Technologies and Assessments》。
研究人员采用实验室规模三室双阴极MEC，中央生物阳极为颗粒石墨，两个阴极室为不锈钢板，阳离子交换膜分隔。接种污泥来自意大利Treviso污水处理厂生物营养物去除工艺的活性污泥；真实底物为有机生活垃圾（OFMSW，来自Treviso省50多个地区分类收集）与污水污泥经热暗发酵后的出料，离心去除颗粒后稀释使用。通过逐级提高进液流量设定6个工况（A–F），稀释率（D）从0.8 d
-1增至27.4 d
-1。监测电流、化学需氧量（COD）去除、气体产物等，并利用恒电位极化进行生物阳极电化学表征。
### 3.1 快速筛选方法评估接种合成和真实底物的MEC反应器性能
通过逐步增加D，研究人员发现电流随D增大而升高，在工况F达到最大值（合成170±4 mA，真实157±5 mA）；而COD去除效率则相反，从工况A的最大值（合成64±1.5%，真实39±2%）降至工况F的约11–12%。从工况E到F，电流增量仅约5%，表明系统达到性能平台（D≥13.7 d
-1）。统计检验显示，在低D下合成与真实底物的电流存在显著差异，而高D下差异消失，说明高负荷下性能趋同。所有工况下阴极室pH自发升至约13，抑制产甲烷菌，未检出甲烷；阴极库仑效率（CCE）达96–100%，表明几乎全部电流转化为氢气。氢气为唯一气体产物，最高产氢速率在工况F达2.2 m
3/m
3d（合成）和2.0 m
3/m
3d（真实）。
### 3.2 生物阳极电化学表征
恒电位极化测试显示，阳极电位低于–0.1 V（vs SHE）时电流明显受抑，高于+0.2 V时电流进入平台期。在相同电位下，合成底物产生的电流普遍高于真实底物，相对差异在工况A约为41%，随D增加而缩小至工况E–F的约12%。这主要归因于真实底物稀释后电导率较低（2.0 vs 6.0 mS/cm）导致欧姆损失增大。高D条件下，底物传输和代谢饱和成为限制因素，电导率影响减弱。因此，+0.2 V（vs SHE）被确定为兼顾能效与电子传递的最佳阳极电位。
### 3.3 双阴极与单阴极MEC设计性能比较
与文献中采用相同反应器材料、膜和接种源的单阴极MEC相比，在类似有机负荷率（OLR）和水力停留时间（HRT）下，双阴极构型实现了更优电流密度和能量效率。例如，在与Marchetti等（2025）对比的工况C中，合成底物电流密度提高46.5%，库仑效率（CE）提高21%，总能量效率（ηE）提高32.5%；氢能耗降至2.9 kWh/Nm
3H
2，而单阴极系统为6.32 kWh/Nm
3H
2。与Zeppilli等（2017）对比的工况B中，双阴极系统达到CCE≈100%，而后者仅为51%。这表明双阴极构型通过缩短电极间距、增大阴极面积，有效降低内阻并促进电子回收。
讨论总结：快速筛选方法能够快速识别性能平台，避免长期无效运行。水力条件的改变揭示了产氢与COD去除之间的权衡，可根据目标选择合适操作窗口。电化学表征结果表明高流速下性能限制主要来自底物传输而非电极动力学。双阴极设计在能量效率和氢回收方面优势显著。该方法可作为MEC初步评估的实用框架，有助于加速生物电化学技术优化和放大。
研究结论（翻译原文结论部分）：本研究引入了一种快速筛选方法，用于在不同水力条件下系统评估MEC性能，能够顺序探索多个操作点。该方法并非取代传统长期优化，而是作为一种初步诊断工具，在详细表征前快速缩小操作窗口。水力条件的变化揭示了电流/产氢与COD去除效率之间的明显权衡，并快速识别了性能平台。对于两种底物，在稀释因子≥11.6 d
-1时观察到的平台表明存在共同的操作极限，并伴随阳极库仑效率的逐步下降。补充的生物电化学表征提供了这些性能趋势的机制见解，表明在高水力负荷条件下，底物传输限制可能是主要限制因素，而非电极动力学。此外，与文献中类似的单阴极系统相比，双阴极构型也促进了电化学性能提升（所有情况下CCE≈100%）。尽管重复实验证实了所提筛选方法的可重复性，未来采用独立反应器重复和长期连续运行的研究将进一步增强其生物学稳健性和适用性。总之，除了本研究中具体配置的反应器外，所提出的快速筛选方法为MEC系统早期评估提供了实用框架，可能促进制氢和废物增值的生物电化学技术的开发、优化和未来放大。
