赵庆良教授团队，CEJ研究：新型孪生微生物燃料电池驱动电芬顿系统用于剩余污泥处理：同步实现减量化、稳定化和资源化利用

第一作者：吕佳琦

通讯作者：赵庆良*

单位：哈尔滨工业大学

对剩余污泥进行减量化、稳定化和资源化处理处置，是实现有效污染控制的关键措施。微生物燃料电池驱动电芬顿系统（MFCⓅEFs）已被认可为一种有前途的污泥处理方法。与传统污泥处理工艺相比，MFCⓅEFs可同时在阳极实现污泥稳定化和电能转换，并在阴极提升污泥脱水性能，具有功能丰富、操作条件相对温和及安全稳定性高（常温常压条件）等优势。然而，污泥复杂的结构特性导致阳极水解反应成为限速步骤，且阴极氧化处理的效率较低。针对上述问题，构建了一种新型孪生MFCⓅEFs处理体系，该体系通过活性氧组分与微生物代谢相互耦合和反馈来调节污泥特性。

近日，哈尔滨工业大学赵庆良教授团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“A novel twin microbial fuel cell powered electro-Fenton system (twin-MFCⓅEFs) for waste activated sludge treatment: reduction, stabilization, and resource utilization”的研究文章。该研究文章构建了一种新型孪生MFCⓅEFs处理体系，通过活性氧组分与微生物代谢的相互耦合和反馈，同步实现污泥脱水性能、降解效率及产电能力的提升，并揭示污泥性质之间的相关性及调控机制。处理后的污泥脱水性能显著提升，泥饼含水率从83.21%降至65.18%。关键EPS组分的动态分布变化显示胞外聚合物中芳香族化合物、色氨酸蛋白及腐植质类有机物含量降低，泥水分离过程增强。处理后的污泥降解程度大幅提高，TCOD和VS含量分别减少了59.85%和67.59%。α-螺旋比例和酰胺及胺类中的非质子化氮含量下降，表明蛋白质结构被转变为更松散和简单的形式。孪生MFCⓅEFs在产电效率上比MFCⓅEFs高2.75倍，具有较高的最大功率密度（5.85 mV/m³）、较低的阳极平衡电位（-0.403 V）以及较高的传质系数（0.177）。阳极生物膜含有更高丰度的Chloroflexi, Firmicutes和碳水化合物代谢功能基因，更有利于有机物降解。孪生MFCⓅEFs处理体系可在低能耗、高效率、安全稳定的条件下，同步提升污泥脱水性能、降解效率及产电能力，为降低污泥环境风险并实现再利用提供技术支持。

研究表明在孪生MFCⓅEFs处理过程中，污泥的脱水性能显著提升，泥饼含水率达到65.18%。污泥关键EPS组分的动态分布特征显示，可溶型EPS（S-EPS）的总体强度增加，而松散型EPS（LB-EPS）和紧密型EPS（TB-EPS）的强度在处理后均有所下降。根据紫外可见光谱（UV-vis）和三维荧光光谱（3D-EEM）分析，LB-EPS和TB-EPS中芳香族化合物（含C=Cand C=O双键）、色氨酸蛋白及腐植质类有机物含量降低，表明促进了泥水分离过程。其中，羟基自由基氧化和微生物代谢作用均可将固相中原本存在的难溶性高分子有机物和芳香族化合物转化为可溶性物质。区别在于，微生物处理会降解液相中的有机物并破坏固相中的EPS。

在孪生MFCⓅEFs处理过程中实现了较高的污泥降解程度，总化学需氧量和挥发性物质分别减少了59.85%和67.59%。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析发现，处理后污泥在与蛋白质和多糖相关的亲水性官能团（如酰胺I的C=O、酰胺II的C–N和N–H，多糖的C–O基团）处的峰值最小，表明有机大分子水解程度更高。较低的α-螺旋比例表明蛋白质结构变得松散并暴露出更多疏水位点。XPS光谱显示，处理后污泥中C-H/C-C（烃类物质）和C-(O/N)（醇、胺和酰胺基团）的强度降低，污泥降解程度增强，导致羧基增加而蛋白质或肽链减少。而Nnonpr向Npr的转化表明蛋白质水解并分解为更简单的形式。扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像显示，处理后的细胞外表不光滑，结构显著破坏，内容物流出，整体活细胞比例显著降低。

A novel twin microbial fuel cell powered electro-Fenton system (twin-MFCⓅEFs) for waste activated sludge treatment: reduction, stabilization, and resource utilization

赵庆良教授简介：哈尔滨工业大学环境学院教授（博导）。在微生物燃料电池、污泥资源化和垃圾渗滤液高效处置等方向开展科研30余年，曾获高校科学研究优秀成果奖的自然科学奖一等奖等省部级奖6项，2004年黑龙江省杰出青年科学基金获得者。曾多次承担并完成国家重大科技专项（水专项）、科技部863/973课题、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划课题、国家创新研究群体基金等科技项目。累计发表学术论文512余篇，其中SCI论文237余篇，授权国家发明专利23项。