解析用于处理含有药品和个人护理产品的废水的锰矿集成 constructed 湿地-微生物燃料电池系统：效能及其协同作用机制

时间：2026年2月14日

来源：Bioresource Technology

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人工湿地微生物燃料电池协同处理污染物及能源回收研究，重点考察锰矿石电极闭路系统对总氮（76%）、氨氮（81%）、COD（77%）及PPCPs（SMX 95%、IBP 93%）的高效去除性能，揭示多孔电极结构及产电菌群（变形菌门/厚壁菌门/拟杆菌门）的协同机制，优化水力停留时间（3/2天）和进水模式，为可持续废水处理提供技术支撑。

戴洪玲|张家文|罗安杰|岳雪洁|张涛|杜志远|詹鹏|彭晓明

华东交通大学土木工程与建筑学院，中国江西省南昌市330013

摘要

本研究评估了构建型湿地-微生物燃料电池（CW-MFCs）在同时去除传统污染物、个人护理产品（PPCPs，包括磺胺甲噁唑（SMX）和布洛芬（IBP））以及回收生物能源方面的综合性能。系统性能受到关键操作参数的影响，这些参数包括电路配置、电极材料（锰矿）、水力停留时间（HRT）、进水流向和COD浓度。实验结果表明，在上流进水模式下，使用锰矿电极的封闭电路系统（CW-MFC2）表现出最佳的综合性能：在3天水力停留时间下，TN去除率为76%，NH₄⁺-N去除率为81%，COD去除率为77%；在2天水力停留时间下，TP峰值平均去除率为94%；在COD浓度为300 mg/L时，SMX和IBP的去除率分别为95%和93%。此外，CW-MFC2还具有优异的生物电化学性能，最大电流密度为94 mA/m²，最大功率密度为18 mW/m²，内阻为144.4 Ω。CW-MFC2的卓越性能归因于其独特的锰矿电极多孔结构，该结构有利于微生物的定殖，同时系统中富集了具有生物活性的细菌和关键功能菌门（变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门），这些微生物协同促进了污染物的降解和生物能源的生成。本研究证实了基于锰矿的封闭电路CW-MFCs在同时去除污染物和回收能源方面的可行性和有效性，为其在可持续废水处理中的实际应用提供了重要见解。

引言

个人护理产品（PPCPs）是一类广泛存在于全球水环境中的新兴有机污染物，包括抗生素、激素等物质，它们通过内分泌干扰和复合污染对环境和健康构成威胁（Liu等人，2023年）。微生物燃料电池是一种创新的电化学系统，能够同时处理废水并产生电能，在PPCPs的降解和回收方面表现出特别的效果（Qin等人，2023年）。该系统由阳极（厌氧）、阴极（好氧）和质子交换膜组成。微生物作为生物催化剂，通过细胞外电子转移降解有机污染物并产生电能（Bazina等人，2023年）。在运行过程中，产电微生物在阳极处氧化有机底物，产生质子、电子和代谢能量。质子通过膜迁移到阴极，电子通过外部电路传递并与电子受体（通常是氧气）发生氧化还原反应，最终生成水（图1）。

近几十年来，构建型湿地（CWs）已成为废水处理的一种广泛采用的方法。这些人工生态系统通过植物、底物和微生物的协同作用去除污染物，主要针对五类污染物：悬浮固体、氮和磷等营养物质、有机污染物、重金属和病原微生物。污染物去除效率受系统设计和环境因素的共同影响。关键参数包括湿地配置、植物种类选择、底物组成、微生物群落动态、溶解氧水平和水力停留时间以及季节性温度变化，所有这些因素都需要根据具体地点进行优化（Ebrahimi等人，2021年）。以锰矿作为阳极填料的电活性构建型湿地（Mn-ECWs）在去除特定污染物方面表现出显著优势，显示出优异的处理效果。与使用其他类型填料的ECWs相比，Mn-ECWs在去除相关污染物方面具有更强的相关性和有效性（Huang等人，2025年）。通过将微生物燃料电池与构建型湿地结合，开发出了CW-MFC系统。最近的进展包括优化设计、创新材料和性能提升。实验室研究表明，这些系统可以产生电能并降解顽固的有机物、药物残留物和重金属，因此在PPCPs去除方面引起了越来越多的关注。

本研究通过模拟实验实现了以下目标：（1）研究电极材料配置、电路连接模式和操作参数（水力停留时间、进水模式）对CW-MFC系统中污染物去除和生物电能生成耦合性能的影响机制；（2）确定同时处理传统污染物和PPCPs的最佳操作条件；（3）阐明集成CW-MFC系统中污染物降解途径与生物电化学过程之间的协同机制。

实验设置

在本实验中，构建了三个直径为25厘米的圆柱形PVC反应器，每个反应器均作为CW-MFC系统。所有系统都具有五个采样端口，并从底部到顶部具有相同的层状结构：5厘米的支撑层（鹅卵石）、10厘米的基质层（砂砾）和10厘米的缓冲层（砂砾）。主要的操作差异在于阳极/阴极材料和电路模式。CW-MFC1的阳极和阴极层均使用了锰矿。

氮化合物的去除

如图2（a-b）所示，在相同的底物条件下，CW–MFC2（封闭电路模式）的总氮（TN）和铵氮（NH₄⁺–N）去除率显著高于CW–MFC1（开放电路模式）（P < 0.05）。CW–MFC系统中的氮去除依赖于底物-植物-微生物的协同作用（Schierano等人，2020年），主要由硝化作用、反硝化作用和氨化作用主导。在封闭电路运行模式下，电子通过外部电路高效传递到阴极

结论

本研究评估了不同配置的构建型湿地-微生物燃料电池（CW-MFCs）在处理含有个人护理产品（PPCPs）的废水方面的性能。结果表明，使用锰矿电极的封闭电路CW-MFC（CW-MFC2）在污染物去除和生物电能生成方面表现出最佳的综合性能。在最佳上流进水模式下，CW-MFC2在3天水力停留时间下实现了76%的TN去除率和81%的NH₄⁺-N去除率，以及77%的最大平均COD去除率

作者贡献声明

戴洪玲：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。张家文：撰写 – 原稿。罗安杰：资源获取，数据分析。岳雪洁：研究调查，概念构思。张涛：撰写 – 审稿与编辑，监督，研究调查。杜志远：方法学研究，数据分析，概念构思。詹鹏：撰写 – 审稿与编辑，验证，资金筹集。彭晓明：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，概念构思。