基于铁屑改良与曝气策略的人工湿地 - 微生物燃料电池性能增强

《Process Safety and Environmental Protection》：Constructed Wetland–Microbial Fuel Cell Performance Enhancement via Iron Scrap Amendment and Aeration Strategies

　　

摘要

在现有的废水处理技术中使用替代的低成本材料是降低处理成本并提高效率的方法之一。在此背景下，设计了一种双室人工湿地集成微生物燃料电池 (CW-MFC)，以提高处理效率和成本效益。所开发的 CW-MFC 在四个不同的处理阶段中依次运行。阶段 I 涉及使用外部曝气和美人蕉，阶段 II 利用单独的美人蕉，阶段 III 纳入铁屑，阶段 IV 将美人蕉与铁屑结合于好氧区域。该处理系统从初始甲基橙 (MO) 浓度 50 mg/L 开始，分别显示阶段 I、阶段 II、阶段 III 和阶段 IV 的染料（作为模型新兴有机污染物）脱色效率为 99.46、92.26、97.69 和 97.65%。关于化学需氧量 (COD) 去除率（初始浓度为 640 mg/L），效率如下：阶段 I 为 92.50%，阶段 II 为 82.87%，阶段 III 为 94.83%，阶段 IV 为 91%。

此外，气相色谱 - 质谱联用 (GC-MS) 分析表明，纳入铁屑导致 MO 连续降解为较小分子量的化合物，如邻苯二甲酸和癸酸，从而降低了毒性。

总体而言，这些结果表明，所开发的双室 CW-MFC 在处理有机污染物方面具有巨大潜力。这项研究证实，在系统的好氧区域使用低成本废铁屑可以增强废水中新污染物和常规污染物的去除。

引言

十多年前，人工湿地 - 微生物燃料电池 (CW-MFC) 的概念被提出作为一种环保且高效的废水处理技术 (Yadav, 2010)。CW-MFC 的基本设计与 CW 相似，包括基质、被处理的废水、植物和微生物 (Gupta et al., 2021)。唯一的区别在于 CW-MFC 的好氧和厌氧区域中放置了导电材料（电极）和电气连接，而在 CW 系统中则没有 (Gupta et al., 2021)。这些 CW-MFC 基本组件的组装已显示出有效处理各种类型废水的有益结果。例如，Saket et al. (Saket et al., 2022b) 使用创新的双室 CW-MFC 处理偶氮染料废水，从初始 COD 浓度 750±50 mg/L 实现了 95.8±0.71% 的 COD 去除效率。而 Yang et al. (Yang et al., 2022) 展示了使用 CW-MFC 系统处理生活污水，对于初始 COD 浓度为 300 mg/L 的情况，COD 去除效率为 29.73 ± 0.76%。同样，Hartl et al. (Hartl et al., 2021) 通过 CW-MFC 系统处理制药废水，COD 去除效率为 55%（初始浓度：8.9±2.4 g/m².d）。然而，进行了许多研究以增强这些系统的废水处理潜力。因此，研究了反应器的修改以促进特定反应并增强动力学，以便在不同影响条件下升级性能。例如，Srivastava et al. (Srivastava et al., 2017) 比较了 CW-MFC 中间歇曝气 (IA) 补充和使用湿地植物的效率，其中在初始葡萄糖负荷为 0.7 g/L 时，IA 和植物分别提供了 78.71% 和 72.17% 的 COD 去除率。同样，Wang et al. (Wang et al., 2017) 评估了使用不同尺寸基质材料的 CW-MFC 性能。结果表明，具有较小直径基质材料的种植系统优于具有较大直径基质材料的其他系统。同样，Wang et al. (Wang et al., 2016) 通过在阳极区域纳入不同电极材料（包括不锈钢网、泡沫镍、碳纤维毡和石墨棒）评估了 CW-MFC 的有效功能。结果可视化显示，泡沫镍阳极的存在聚集了相对较高丰度的具有更强污染物处理能力的脱卤单胞菌微生物。然而，这些修改主要关注单独的操作参数或昂贵的工程材料。它们对废水处理和生物电力生成的综合影响尚未得到充分关注。需要更明确的实验研究来分析和阐述适合系统的修改，以增强污染物减排，而不损害系统的可持续性。考虑到 CW-MFC 的适用性，应执行对新修改策略的详细探索，以改进系统的处理性能。

目前，铁基材料如零价铁 (ZVI) 和铁改性复合材料由于其还原特性，在偶氮染料降解方面显示出相当大的前景 (Farhan et al., 2019, Suzuki et al., 2020)。然而，它们相对较高的成本限制了大规模实施。废铁屑具有相当的还原特性，同时通过废物再利用提供环境效益。尽管有这些优势，它们在 CW-MFC 中的应用，特别是在不同操作条件下与湿地植物结合的应用，很少被研究。此外，此类修改对 CW-MFC 电化学性能的影响在很大程度上仍未被探索。

考虑到这些因素，本研究评估了双室 CW-MFC 在不同操作条件下的性能，涉及人工曝气、铁屑和湿地植物美人蕉。由于铁屑是具有还原潜力的廉价工业废料 (Yadav et al., 2012b)，它们被单独或结合美人蕉纳入阴极区域，此前已证明美人蕉具有降低有机污染物毒性的能力 (Patro et al., 2024)。甲基橙被选为模型偶氮染料，因为它被广泛用于工业、环境持久性以及易于定量分析 (Kataki et al., 2021)。

因此，本研究的新颖性在于系统地评估三种实际操作策略，即人工曝气、废铁屑和湿地植被，在同一双室 CW-MFC 内，以阐明它们对污染物去除和生物电力生成的单独和综合影响。与以前独立研究这些修改的研究不同，这项工作提供了它们对常规和新兴（偶氮染料）污染物去除影响的全面评估，同时评估了对电化学性能的影响。研究结果有助于开发用于废水处理和资源高效废物再利用的可持续 CW-MFC 系统。

章节摘要

合成染料废水的组成

合成废水的制备模拟了真实染料废水，使用 50 mg/L 的分析级甲基橙 (MO) 染料（印度 HI Media 私人有限公司）作为额外的代表性模型污染物和 550 mg/L 葡萄糖作为有机基质 (Mittal et al., 2022a)。使用自来水制备合成废水，其中含有 MgCl₂?6H₂O (0.0371 g/L)、(NH₄)₂SO₄ (0.1119 g/L)、KH₂PO₄ (0.0445 g/L)、CaCl₂?2H₂O (0.0301 g/L)、(NH₄)₂Fe (SO₄)₂?6H₂O (0.0842 g/L) 和 NaHCO₃ (0.111 g/L)。然后，1

偶氮染料溶液的脱色

在微宇宙中，评估了合成水溶液中偶氮染料 (MO) 的脱色情况，在四个不同的实验阶段（阶段 I：曝气器 + 植物，阶段 II：植物，阶段 III：铁屑，阶段 IV：铁屑 + 植物；在好氧（阴极）室中），如图 2 所示。结果显示，阶段 I、阶段 II、阶段 III 和阶段 IV 处理后的出水染料脱色率分别为 99.46±0.2、92.26±4.0、97.69±0.6 和 97.65±0.9%。因此，曝气器和

结论

进行微宇宙实验以研究 CW-MFC 在不同操作条件下降解水溶液中 MO 的性能。实验结果显示，阶段 I、阶段 II、阶段 III 和阶段 IV 处理后的出水中染料脱色百分比分别为 99.46±0.2、92.26±4.0、97.69±0.6 和 97.65±0.9%，COD 去除百分比分别为 92.50±4.6、82.87±6.2、94.83±3.7 和 91±4.2%。此外，出现较低分子量的

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能被认为影响本文报告的工作。

CRediT 作者贡献声明

Pratiksha Srivastava: 写作 - 评审与编辑，验证，监督，调查，形式分析，数据管理，概念化。 Kiran Bala: 写作 - 评审与编辑，资源，形式分析。 Yadav Asheesh: 写作 - 评审与编辑，写作 - 原稿，验证，监督，调查，形式分析，概念化。 Ashmita Patro: 写作 - 评审与编辑，写作 - 原稿，可视化，验证，方法论，调查，形式分析，数据

Ashmita Patro|Saurabh Dwivedi|Boopathy Ramasamy|Pratiksha Srivastava|Kiran Bala|Asheesh Kumar Yadav