科技创新

第一作者：李世龙

通讯作者：段亮

通讯单位：中国环境科学研究院

论文DOI：10.1016/j.watres.2025.124033

文章导读

全氟/多氟烷基化合物（PFAS）用途广泛，赋存形态多样，其中全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）具有很高的稳定性，仍在部分环境水体维持高浓度，现有化学、生物及物理技术均受限于苛刻条件或冗长周期，难以高效去除。

正渗透微生物燃料电池OsMFC通过将正渗透（FO）和微生物燃料电池（MFC）相结合，可以同时实现废水处理、清洁水提取和电能产生。阳极的厌氧微生物可以分解有机物以实现污染物的去除，产电微生物可以将化学能转化为电能从而实现废水资源化，由于阴、阳极液间存在渗透压差，废水中的水分子跨过FO膜被汲取至阴极一侧从而实现清洁水的生产。

OsMFC在实现清洁水和清洁能源的可持续发展目标方面具有巨大潜力。然而，膜污染会导致水通量降低以及水处理成本增加，这无疑会阻碍OsMFC的实际应用。

本研究系统评估了PFOA和PFOS对OsMFC性能及膜污染的影响，进一步研究了OsMFC中污染膜的表面性质、污垢组成和膜污染形成机制。通过定量分析和结构方程模型确定了OsMFC中PFAS的分布和去除路径，并首次阐明了OsMFC中PFAS的去除机制。

文章亮点

1.全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）的存在加剧了膜污染并影响了膜污染的成分和结构；

2.当水力停留时间为10天时，全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）的去除率超过了60%；

3.PFOA和PFOS在OsMFC中的主要去除途径是生物膜吸附。

主要内容

1.PFAS暴露对膜污染的影响

PFOA和PFOS暴露初期，OsMFC中FO膜表面污染层厚度更小，这归因于吸附PFAS后的絮体不易在膜表面的沉积（图1（a））。然而，随着 PFAS浓度的增加，FO膜表面的污垢变得更加明显，这归因于PFAS暴露导致的微生物产物的分泌增加。长期PFAS暴露条件下，膜污垢层更致密（图2（b））。PFOA暴露条件下，FO膜表面粗糙度高于对照组，并且随着浓度的增加而进一步增大；PFOS暴露条件下，FO膜表面粗糙度低于对照组（图2（c））。粗糙度越高，可供污染物附着的面积就越大，膜污染进一步恶化的可能性也就越大。PFOA暴露使得膜污染的恶化速度更快，而PFOS条件下膜污染的发展速度相对较慢。PFOA和PFOS暴露条件下，FO膜表面的接触角均显著增大，这表明膜亲水性的降低（图2（d））。

555cm-1、688cm-1和 832cm-1处的特征峰是新FO膜所特有的，PFAS暴露条件下这些峰的强度减弱甚至消失。污染膜上，1020cm-1 处的峰与多糖或类似多糖的物质有关。1260cm-1处的峰表明磷脂和/或核酸的存在。1540cm-1和1630cm-1 处的信号分别对应于酰胺I（CeO伸缩）和酰胺II（NeH平面伸缩），它们代表了蛋白质二级结构的特征。通过比较1020cm-1处的峰强度，可以看出在PFOA存在的情况下，多糖含量显著降低，在PFOS存在的情况下则显著增加。通过比较1630cm-1和1540cm-1处的峰强度，可以看出在 PFOA和PFOS存在的情况下，蛋白质含量显著增加。图3（a）和（b）表明，在PFOA和PFOS的影响下，OsMFC反应器中FO膜表面存在大量有机污垢。

PFAS暴露条件下，微生物和生物膜会基于自我保护机制增强胞外聚合物（EPS）的分泌。如图2（c）所示，α-D-吡喃多糖和β-D-吡喃多糖在膜上的分布较为分散，彼此聚集形成斑点状分布。蛋白质和细胞则均匀分布在膜上，形成连续的污垢层，它们可能对过滤阻力起主要作用。PFOA暴露条件下，α-D-吡喃多糖和β-D-吡喃多糖的荧光强度降低，而蛋白质和细胞的数量显著增加。PFOS存在时，α-D-吡喃多糖、β-D-吡喃多糖和细胞的荧光强度降低，而蛋白质含量显著增加。PFOA与细胞和蛋白质含量呈正相关，与另外两种污染物呈负相关。PFOS与蛋白质和α-D-吡喃多糖呈正相关，与另外两种污染物呈负相关（图 3(d)）。

2.PFAS在OsMFC中的去除机制与归趋

阐明OsMFC中PFAS的分布和归趋有助于优化污染物的去除效果。以下对PFOA和 PFOS的分布进行了定量分析（图4）。在OsMFC中，36.24%的PFOA被生物膜吸附，18.33% 被悬浮液中的絮体（EPS）吸附，6.45%被膜污染层吸附，而FO膜对PFOA的截留率达到99.902%。31.59%的PFOS被生物膜吸附，20.12%被悬浮液中的絮体（EPS）吸附，10.75%被膜表面的膜层污染层吸附，而FO膜对PFOS的截留率达到了99.971%。总之，在PFOA和PFO的去除过程中，碳毡上的生物膜对PFOA和PFOS的吸附和去除占比最高。

通过结构方程模型和相关性分析，明确操作条件（PFOA/PFOS的初始浓度和HRT）对OsMFC的影响，并进一步确定了去除PFOA和PFOS的主要途径。如图5（a）所示，产水对初始PFOA浓度有微弱的负响应，并受到HRT的正调节；产电受到初始PFOA浓度和HRT的负调节。如图5（c）所示，产水对初始PFOS浓度有微弱的负响应，并受到HRT的正调节；产电受到初始PFOS浓度的正调节，延长HRT对产电不利。COD去除对初始PFOA/PFOS浓度有负响应，并受到HRT的正调节。初始PFOA/PFOS浓度的增加和HRT的延长对PFOA/PFOS的去除率和膜截留率有不同的促进作用。

根据操作条件与响应因素之间的相关性分析（图5（b）和（d）），PFOA和PFOS的去除过程受到生物膜、胞外聚合物（EPS）以及膜表面污垢层吸附去除的共同影响，其中生物膜吸附去除起主导作用，且其相关系数最高。因此，可以认为生物膜吸附去除是 OsMFC中去除PFOA和PFOS的关键途径。

研究结论

全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）暴露初期可能会减少膜污染，但随着时间推移，微生物因接触全氟和多氟烷基物质（PFAS）而生成更多的胞外聚合物（EPS），会加剧膜污染。正渗透微生物燃料电池（OsMFC）中的膜污染主要由α-D-吡喃葡萄糖、β-D-吡喃葡萄糖、蛋白质和细胞组成。对于含PFOA的OsMFC，建议早期进行膜清洗；而对于含PFOS的OsMFC，清洗可安排在运行后期进行。物理和化学清洗方法均被证明能有效控制膜污染，这两种清洗方法的水回收率分别可达67%和72%。这些见解对于基于膜的生物反应器中膜污染控制策略的发展至关重要，尤其是在处理含PFAS的废水方面。此外，通过优化水力停留时间（HRT），PFOA和PFOS的去除率得到提高（超过60%）。同时，当HRT为10天时，输出电位稳定在0.5V，水通量在3~8L·m-2·h-1范围内，化学需氧量（COD）去除率超过92%，PFOA和PFOS的膜截留率均可达到99.9%以上。PFOA和PFOS的去除过程受到生物膜、EPS和膜污染吸附去除的共同影响，其中生物膜吸附去除起主导作用。希望本研究对OsMFC反应器中PFAS的去除与优化提供参考，进一步推动OsMFC技术的发展与应用。

作者简介

第一作者：李世龙

中国环境科学研究院2025级博士研究生。

通讯作者：段亮

研究员，博士研究生导师，国家生态环境保护青年拔尖人才，中国环境科学学会青年科学家金奖获得者。近年来主持国家重大科技水专项课题、国家自然科学基金等项目30余项；发表学术论文160余篇，其中Envir.Sci.Tech、Water Res.等SCI论文80余篇；授权发明专利等20项，主编著作10部；获省部级一等奖5项、二等奖4项。