双室微生物燃料电池驱动电芬顿系统处理剩余污泥的电子传递性能与机理研究

本文构建了双室微生物燃料电池驱动电芬顿系统（twin-MFCⓅⓅⓅEFs），通过耦合活性氧组分与微生物代谢，显著提升剩余污泥（WAS）处理效能。研究揭示了系统内电子生成与利用的高效机制：溶解性有机物（DOM）中色氨酸等氨基酸、腐殖质及其芳香基团促进电子传递，库伦效率达8.25%；自由基氧化优势支撑52.76%的法拉第效率。宏基因组分析表明，糖基转移酶分泌增强及乙酸激酶活性抑制优化了代谢通路，为污泥资源化提供了新策略。

实验装置与双室MFCⓅⓅⓅEFs运行

双室MFCⓅⓅⓅEFs由两个结构相同的MFC反应器组成，分别称为一级MFCⓅⓅⓅEFs（MFCⓅⓅⓅEFs-I）和二级MFCⓅⓅⓅEFs（MFCⓅⓅⓅEFs-II）（图S1）。反应器外壁由有机玻璃板构成，阴阳极室为有效容积200 mL的密闭矩形空间，两室通过质子交换膜（PEM）隔开。阳极室填充碳刷作为电极，阴极室则采用碳布负载催化剂。系统以剩余污泥为底物，在恒温条件下连续运行，监测电压、电流等电化学参数。

电能生成与回收效率

双室MFCⓅⓅⓅEFs从启动到稳定运行阶段的电能生成与回收效率变化如图1所示。启动初期因生物膜未成熟，输出电压较低；随着电活性菌（如Geobacter）富集，系统进入上升期，最终稳定输出0.524 V电压，库伦效率达8.25%。溶解性有机物（DOM）中色氨酸等荧光组分及腐殖质的共轭结构显著提升了电子介导能力，而阳极电位（-0.452 V）的优化进一步促进了电子向外电路传递。

结论

双室MFCⓅⓅⓅEFs展现出卓越的电子转移性能：高输出电压（0.524 V）与阳极电位（-0.452 V）保障了电子生成效率；DOM中芳香族化合物及不饱和双键结构增强了生物降解性与电子传递速率。系统通过提升糖基转移酶（如葡萄糖基转移酶、β-葡萄糖苷酶）分泌，抑制乙酸激酶和甲基辅酶M还原酶活性，优化了代谢通路，使法拉第效率达52.76%。该研究为污泥处理工艺的电子流调控提供了新视角。