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: https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125808

文章介绍

污水处理过程中会产生大量废弃活性污泥（WAS），其处理与处置问题日益受到关注。传统的WAS处理技术流程复杂，不仅易造成环境污染，还导致资源浪费；同时，WAS处理成本在污水处理厂运营成本中占据很大比例。因此，亟需发展能够同步实现WAS处理与资源回收的技术。

目前，正渗透微生物燃料电池（OsMFC）处理WAS的可行性已得到初步验证。然而，有别于以污水为底物的体系，以WAS为底物时反应器内部的电子传递过程发生了显著变化，其内在机制仍需进一步阐明。另一方面，OsMFC处理WAS过程中会产生严重的膜污染问题，膜污染的缓解策略对系统的稳定运行至关重要。

本研究利用OsMFC处理WAS，旨在同时实现污泥脱水、有机物稳定化以及电能回收。我们从膜污染的表面形貌、污染成分及膜表面性质变化等方面对膜污染特征进行了系统分析，并对比了两种膜清洗方法的效果。在此基础上，通过微生物群落结构与转录组分析，揭示了反应器内部微生物群落的变化规律。最终，结合生物膜形貌、微生物活性及其代谢产物等指标的综合分析，进一步阐明了电子传递过程的增强机制。

文章亮点

1.OsMFC能够回收电能和水资源，并对WAS进行稳定化和脱水处理。

2.反冲洗消除了膜的堵塞现象，并恢复了膜的性能。

3.更密集且更具活性的生物膜增强了OsMFC中的电子传递。

主要内容

1．OsMFC反应器的性能考察

OsMFC（0.4 - 0.45 V）相较于 MFC（0.26 - 0.29 V）具有更高的最大输出电位，这可归因于FO过程的水通量增加了质子通量。产电结果表明WAS可用作OsMFC的底物且WAS 可以提供充足的有机电子供体。OsMFC实现了最大 76%的 tCOD 去除率，而MFC的去除率为 69%，这表明 OsMFC 对有机物稳定化更加有效。OsMFC处理后，WAS的MLVSS/MLSS显著降低，表明 WAS 的脱水潜力得到了改善。

图 1. (a) 反应器的输出电压；(b) OsMFC反应器的产水量；(c) OsMFC反应器的水通量；(d) 混合液悬浮固体和混合液挥发性悬浮固体浓度变化；(e) MLVSS/MLSS 和 TVSS 的变化；(f) 总化学需氧量和溶解性总磷的变化。

2．膜污染分析与控制策略

在OsMFC中，膜表面形成了泥饼层，膜表面的粗糙度增加，这为污染物提供了更多的附着位点。膜清洗后，粗糙度显著降低，并接近新膜的粗糙度。膜清洗后接触角减小，这表明膜的亲水性增加。其中，反冲洗的效果更加明显。表面冲洗无法清除孔隙内部或密集污垢层中的污染物。反冲洗可以缓解孔隙堵塞，并且还会导致膜表面污垢层的脱落，其操作简单且经济可行。反冲洗对电化学性能的恢复作用也更明显，反洗后OsMFC的最大功率密度更高，总内阻更小。

对膜污染层的逐层分析表明，反冲洗后靠近膜表面的四种膜污染物（α-D-吡喃糖、β-D-吡喃糖、蛋白质和细胞）的浓度最低，这表明致密的污垢层已被清除。四种膜污染物均显著抑制了水通量，而多糖起到了决定性作用。功率密度与水通量呈正相关。尽管两种膜清洗方法都对膜污染起到一定的抑制作用，但频繁的膜清洗可能会缩短膜的使用寿命。

图 2. 膜清洗前后水通量(a)，MLSS和MLVSS浓度的变化(b)；不同反应器的最大功率密度(c)；直接成像和SEM图像(d)，不同膜的粗糙度(e)和接触角(f)；以及清洗后膜污染的CLSM表征(g)。

3．微生物群落及基因表达变化

Geobacter, Rhodopseudomonas, Azonexus和Ferribacterium均为产电细菌，它们在阳极上的生物膜中得到了显著富集。相对于废水，WAS作为底物能够维持更高丰度的COD稳定化微生物。种间相互作用表明Geobacter和Rhodopseudomonas之间存在正相关，表明这两种产电细菌相互促进。Geobacter和Methanothrix之间存在正相关，Methanothrix是一种产甲烷菌，表明阳极生物膜并非只选择产电细菌。其在MFC的生物膜中所占相对比例最高，由于甲烷的生成与电能的生成争夺电子，因此OsMFC的产电效果优于普通MFC。

与初始的WAS相比，在OsMFC和MFC的生物膜中，上调基因的数量多于下调基因的数量。其中，与发电和生物膜形成相关的基因表达被上调，而表达下调的基因则与硝化和磷去除过程有关。基因与能量产生和转换相关，其在OsMFC生物膜中的表达比MFC生物膜中的更强，这与OsMFC 更好的电化学性能相关。此外，与碳水化合物转运和代谢相关的基因G在OsMFC中的表达水平更高，这与OsMFC更高效的VSS水解相对应。

图 3. 基因表达水平差异(a)，基因的聚类分析(b)，OsMFC 生物膜上调基因的同源组簇（COG）注释分类统计(c)。

4．电子转移增强机制解析

由于膜污染，OsMFC 的 Rohm 值变得更大。OsMFC 中 RMT 的衰减率（15%）高于 MFC（4%），这是由于WAS能够为生物膜供应充足的电子供体。OsMFC 中 RCT 的衰减（25%）也比 MFC（22%）更为显著，这归因于OsMFC更高的质子通量。

OsMFC中的生物膜更加密集，密集的生物膜增强了生物膜-电极-悬浮微生物之间的接触。OsMFC的生物膜上的活菌更多且分布更加均匀，这确保了OsMFC中高效的电子转移。与初始的WAS相比，经过OsMFC处理的WAS中的活菌密度更高。OsMFC中生物膜的ATP 酶活性最高。生物膜和悬浮物中更多的活细以及更高的微生物活性有利于电极-生物膜-悬浮微生物之间的电子转移。OsMFC中的 WAS 的 pH 逐渐升高，这表明OsMFC 中质子有效转移至阴极。OsMFC的 Cyt-c 浓度最高，这表明电子转移得到了增强。

图 4. 生物膜的SEM图像(a)，活、死菌分析(b)，生物膜的 ATP 酶活性(c)，电导率(d)和 pH 值(e)的变化，以及不同反应器中的 Cyt-c 浓度(f)。

研究结论

与传统MFC相比，OsMFC在产电和WAS处理方面表现出了显著的优势。OsMFC的最大功率密度为 260 mW/m2，总化学需氧量去除率为 76%。此外，OsMFC还实现了WAS固体的浓缩、脱水和水解。通过膜反冲洗，FO膜的孔隙堵塞和致密污垢层被有效清除。

OsMFC中的生物膜中富集了更多产电细菌，并且与能量产生和碳水化合物代谢相关的基因表达得到了增强。更高的微生物活性、更密集的生物膜和更高的细胞色素 c 水平证明了OsMFC中胞外电子转移得到了增强。此外，OsMFC的水通量促进了质子转移，而持续浓缩的WAS则提供了充足的电子供体并降低了物质传输阻力。总的来说，OsMFC是一种非常有前景的技术，可用于WAS的浓缩、脱水、稳定化以及资源回收。未来，需要在运营成本控制和稳定性提升等方面取得突破，以推动OsMFC的规模化应用。

作者简介

第一作者：

李世龙，中国环境科学研究院2025级联合培养博士研究生。

通讯作者：段亮，博士，中国环科院研究员，博士生导师。近年来主持国家科技重大专项项目、国家自然科学基金等项目 10 余项，发表Envir. Sci. Tech、Water Res.、Bioresour. Technol.、Chem. Eng. J.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。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125808