污泥类型对双室微生物燃料电池性能的影响：基于实际污水处理厂污泥的产电与COD去除效率比较研究

　　本研究针对传统污泥处理技术能耗高、二次污染严重等问题，通过构建六组双室微生物燃料电池(MFCs)，系统比较了原始污水、初沉污泥、剩余污泥等不同实际污泥基质的产电性能(最大功率密度MPD达132.9 mW/m2 )与化学需氧量(COD)去除效率(最高89%)，揭示了污泥类型与MFC性能的关联机制，为污泥资源化与可持续能源开发提供新思路。

　　

在全球能源危机与环境治理的双重压力下，污水处理厂每天产生的数以万吨计的污泥正成为"烫手山芋"。传统处理方式如填埋会释放甲烷，焚烧消耗能源，而厌氧消化(Anaerobic Digestion, AD)又面临处理周期长、效率低的困境。更棘手的是，随着城市化进程加速，埃及开罗的El Gabal El Asfar污水处理厂（非洲最大处理设施之一）每年产生的污泥量已远超处理能力。这种困境催生了对新型污泥处理技术的迫切需求——能否让污泥从环境负担变身能源宝藏？

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells, MFCs)技术为此带来曙光。这种利用电活性微生物将有机物化学能直接转化为电能的技术，理论上可实现"治污产电"双赢。但现有研究多聚焦单一污泥类型或人工配水，难以指导实际应用。针对这一空白，来自埃及的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表的研究中，首次系统比较了同一污水处理厂六种真实污泥（包括原生污水、初沉污泥、剩余污泥等）在相同MFC系统中的表现，通过长达半年的实验揭示了不同污泥的能源转化潜力与处理效能。

研究采用六组平行双室MFCs反应器（阳极室容积192 cm³
），持续监测175天的电压输出，结合扫描电镜(SEM)观察生物膜形态，主成分分析(PCA)解析性能影响因素。所有污泥样本均取自El Gabal El Asfar污水处理厂不同工艺环节，确保数据真实可比。

电压和功率生成比较
通过12个运行周期（168天）的监测发现，剩余污泥组表现最优，其最大功率密度(MPD)达132.9 mW/m²
，远超初沉污泥组的85.3 mW/m²
。电压曲线呈现"启动-增长-稳定-衰减"四阶段特征，其中稳定期持续时间与污泥可生化性呈正相关。值得注意的是，混合污泥（初沉+剩余）在功率输出(126.7 mW/m²
)与运行稳定性间取得最佳平衡。

COD去除与能量转化效率
thickened污泥展现出惊人的COD去除率（89%），但其库仑效率(CE)仅12%，揭示高降解率不等于高能量回收。相反，剩余污泥组CE高达74%，说明其有机质更多转化为电流而非微生物增殖。PCA分析表明，pH值与电压产出呈强负相关（R=-0.82），而COD去除率与溶解性有机物含量正相关。

生物膜与膜污染分析
SEM图像清晰显示，高功率组阳极生物膜呈现典型"电缆细菌"结构，其纳米导线网络促进电子传递；而性能衰减的MFCs中，质子交换膜(CEM)表面出现明显无机结垢，这是导致后期内阻升高的主因。有趣的是，厌氧消化污泥组的生物膜厚度较薄但菌群密度更高，这可能解释其快速启动但后期乏力的特性。

这项研究首次绘制出真实污泥特性与MFC性能的"关系图谱"，证实剩余污泥是最佳产电基质，而thickened污泥更适合深度净化。更关键的是，通过揭示生物膜演替规律与膜污染机制，为MFCs长期运行稳定性提升指明方向。在埃及等缺水地区，这种"以废治废"技术尤其具有吸引力——计算显示，若将该国全年污泥用于MFCs发电，可满足15万人口的年用电需求。尽管距离大规模应用仍需解决膜材料成本等问题，但这项研究无疑为污水处理厂从"能源消费者"转型为"能源生产者"提供了科学依据。