《Process Safety and Environmental Protection》：Coupling Electrochemical Iron Dissolution and Bio-Cathodic Denitrification for Nutrient Removal, Vivianite, and Energy Recovery in an Iron-Anode Microbial Fuel Cell
编辑推荐：
•闭路IA-MFC增强了反硝化和磷酸盐去除效果。•N和P的最大体积去除速率分别为0.0259和0.0529 kg/(m3·d)。•在无外加有机碳源条件下，峰值能量回收达到26.1 Wh/m3。•在铁阳极表面实现了基于磷铁矿的磷回收。•电化学和微生物性能退化限制了运行稳定性。引
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闭路IA-MFC增强了反硝化和磷酸盐去除效果。
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N和P的最大体积去除速率分别为0.0259和0.0529 kg/(m3·d)。
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在无外加有机碳源条件下，峰值能量回收达到26.1 Wh/m3。
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在铁阳极表面实现了基于磷铁矿的磷回收。
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电化学和微生物性能退化限制了运行稳定性。
引言
氮（N）和磷（P）是水体系统中臭名昭著的污染物，对富营养化、生物多样性丧失和水质退化有着显著贡献（Tang等，2023）。同时去除N和P污染物仍是水体保护面临的一大艰巨任务。在碳中和与可持续发展的目标下，能够实现高效营养盐去除和能源回收的低碳技术变得日益迫切（Zhang等，2024）。
传统生物营养盐去除工艺通常依赖有机碳源作为电子供体。然而，废水中有机质含量往往不足，需要外加乙醇或醋酸盐等碳源，从而增加了运行成本。因此，由无机电子供体驱动的自养反硝化技术在处理低C/N废水方面受到了越来越多的关注（Li等，2023）。氢气、硫和铁基电子供体作为有机碳的替代物已被广泛研究，其中Fe(II)/Fe(0)因其来源广泛以及同时具备磷去除或回收的潜力而备受关注（Wang等，2020b）。近期的综述已总结了铁依赖自养反硝化的机理、微生物、影响因素和工程挑战，强调其在低C/N废水处理中的潜力，同时也指出了需要解决铁沉淀和长期稳定性问题（Kiskira等，2017，Wang等，2025）。
尽管具有这些优势，铁依赖自养反硝化在中性条件下受到含铁矿物沉淀和积累的制约（Wang等，2020b）。Fe(II)的氧化及随后的Fe(III)沉淀可能导致微生物表面铁结壳的形成，这可能阻碍传质过程并干扰微生物活性，从而限制了工艺的长期稳定性。当铁直接作为电子供体供应给微生物群落时，这一限制尤为突出（Wang等，2020a）。因此，一个重要的挑战不仅是为反硝化提供足够的铁衍生还原当量，还要在空间上控制铁的氧化和沉淀，避免过量矿物积累直接干扰反硝化生物膜。
与此同时，Fe介导的磷沉淀为将氮去除与磷回收耦合提供了契机。磷铁矿（Fe?(PO?)?·8H?O）是一种重要的Fe-P矿物，作为一种可回收的磷产品备受关注（Y. He等，2023）。磷铁矿的形成和回收受pH值、Fe/P比、氧化还原条件、硫酸盐、有机质和微生物活性的强烈影响（Wilfert等，2015，Wu等，2019，Zhang等，2022）。磷铁矿在废水和消化污泥中广泛存在，其回收可以同时减少磷污染并为磷资源回收做出贡献（Wilfert等，2018）。因此，一种能够将反硝化电子供应与Fe-P沉淀控制相结合的铁基工艺，可能为同时实现N去除和P回收提供一条有吸引力的途径。
微生物电化学技术为克服自养反硝化中的电子限制提供了另一种策略（Su和Chen，2022，Yao等，2024）。微生物燃料电池（MFC）可在无需外加电能的情况下发电并向阴极微生物提供电子，而微生物电解池（MEC）通常需要外部能量输入。铁基电化学系统已被开发用于硝酸盐去除，包括铁阳极MEC和Fe阳极/生物阴极MFC，证实了铁氧化可作为硝酸盐还原的无机电子源（Li等，2019，Zhang等，2020）。然而，这些研究主要关注铁辅助硝酸盐去除，而铁阳极驱动的生物阴极反硝化与磷回收的同时耦合受到的关注有限。特别是，铁氧化过程中释放的Fe2?可能为磷酸盐沉淀和以磷铁矿形式回收提供额外的机会。
在此研究中，铁阳极微生物燃料电池（IA-MFC）采用双室构型，将牺牲性铁阳极与反硝化生物阴极在空间上分离。因此，铁的溶解和Fe相关沉淀主要发生在阳极室，而铁氧化产生的电子可通过外电路传递至生物阴极。同时，释放的Fe2?为以磷铁矿形式回收磷酸盐提供了潜在的沉淀剂。
本研究在闭路和开路条件下评估了系统性能，以区分电化学电子传递与非产电过程的贡献。研究重点关注了N和P的去除、Fe介导的磷回收、发电、电化学特征以及相关的微生物和功能响应。通过整合这些方面，本研究旨在阐明空间分离的铁阳极MFC在耦合自养反硝化与磷回收方面的潜力，并为进一步优化铁基生物电化学处理系统提供机理基础。
各节摘要
双室IA-MFC的构建
采用WENOOTE一级硼硅酸盐玻璃防爆试剂瓶构建了双室铁阳极微生物燃料电池，阴极室和阳极室的有效体积均为100 mL。阳极由一片高纯度铁片制成（3 cm × 6 cm × 0.2 mm，纯度≥99.85%），阴极则由表面涂覆反硝化生物膜的碳纤维刷组成（d = 3 cm，φ = 6 cm，中国上海乐通实业有限公司）。电极间距为6 cm，且
IA-MFC同时去除N和P
通过序批式操作，在四个连续周期内评估了IA-MFC同时去除N和P的性能，如图1所示。
进水中的氮以NO??形式存在，整个运行期间仅检测到痕量的NH??和NO??。IA-MFC进水NO??-N浓度在CC组和OC组中均维持在100 mg/L。在CC组中，出水NO??-N浓度降至0.2 mg/L以下（图1A），显著低于
结论
IA-MFC提供了一种可行的策略，在无外加有机碳源条件下，将阳极侧Fe介导的磷回收与生物阴极反硝化及发电耦合起来。CC与OC的对比及电化学分析表明，外电路电子传递通路对于维持阴极反硝化至关重要，而微生物群落和功能潜力的时间变化表明反应器性能取决于
CRediT作者贡献声明
LAI LINGLING：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，形式化分析。Ru Wang：撰写——审阅与编辑，指导，资金获取，概念化。Zhiqiang Qi：验证，调查。Linjiang Yuan：指导，资源，项目管理。Francesca Malpei：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的财务利益或个人关系冲突。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（编号：52570090）和中国留学基金委员会（编号：202507830003）的资助。作者衷心感谢米兰理工大学Elena Sezenna教授、Gabriele Beretta博士和Arianna Catenacci博士对本稿件提供的宝贵指导和关键性修订。
Lingling Lai|Zhiqiang Qi|Ru Wang|Francesca Malpei|Linjiang Yuan
