《Bioresource Technology》：Effect of salinity levels on the performance of photosynthetic microbial desalination cells under high anolyte concentration for resource recovery
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光合微生物脱盐电池（PMDC）在高温高盐条件下脱盐效率达29.93%，电压283.33 mV，COD去除率83.9%，显著优于传统MDC，但存在膜scaling和结构降解问题。
赛达·萨菲娜·阿里（Syeda Safina Ali）|泽尚·谢赫（Zeshan Sheikh）|齐亚·乌拉（Zia Ullah）|拉比亚·利亚夸特（Rabia Liaquat）|张东（Dong Zhang）|因蒂亚兹·艾哈迈德（Imtiaz Ahmed）
巴基斯坦伊斯兰堡国立科技大学（NUST）土木与环境工程学院（SCEE）环境科学与工程研究所（IESE），邮编44000
摘要
光合微生物脱盐细胞（PMDC）因其环境可持续性和经济效益而受到重视，这些细胞使用微藻作为生物阴极。然而，现有研究主要探讨了在低电解液浓度下的PMDC性能，因此在处理高浓度废水时的脱盐效果仍存在明显的研究空白。本研究使用斜纹藻（Scenedesmus obliquus）作为生物催化剂，比较了其在15、25和35克/升盐度下的性能与传统微生物脱盐细胞（MDC）的差异。两种系统在25克/升盐度下均达到了最佳效率，对应较低的内部电阻。PMDC的脱盐效率为29.93%，平均电压为283.33毫伏，阳极COD去除率为83.9%，分别比MDC高出17.5%、39.9%和7.8%。此外，PMDC同时去除了42.9%的PO43--P和66.4%的NH4+-N，并在阴极产生了486.5毫克/升的藻类生物量。统计分析证实，在所有盐度条件下，PMDC产生的电压和COD去除率均显著高于MDC（p < 0.0001）。相比之下，两种反应器对盐度变化的脱盐效率变化不大（p > 0.05），尽管PMDC在所有盐度水平上都实现了更高的平均盐分去除率。实验后的形态学分析显示，膜结垢和结构退化影响了性能。这些结果为PMDC在不同盐环境和高底物负荷下的行为提供了新的见解，为资源受限的咸水废水处理系统的低成本设计提供了指导。
引言
工业化和人口增长正在污染有限的淡水资源（Nishat等人，2023年）。据估计，到2050年，全球四分之三的人口可能会面临淡水短缺问题（Wang和Huo，2022年），而只有55%的总需求能够得到满足（Esmaeilion等人，2021年）。传统的海水淡化和废水处理技术虽然高效，但成本高昂且能耗大，分别需要0.3至2.1千瓦时/立方米（Boyden等人，2022年）和1.8至2.2千瓦时/立方米的能量。相比之下，废水具有很高的淡化潜力，可回收的能量价值为1.8至2.1千瓦时/立方米（Sayed等人，2020年）。因此，利用这些能量进行淡化可以降低成本和环境影响。
微生物脱盐细胞（MDC）是一种生物电化学装置，能够产生能量并处理废水和咸水（Alabi，2025年）。在其阳极室中，有机物质通过厌氧细菌分解产生自由电子。这些电子传递到阴极室，外部电路中的电子受体利用这些电子产生生物电。脱盐过程是由于阳极和阴极之间的电位差以及渗透压驱动离子穿过膜实现的（Danaee等人，2023年）。与传统脱盐技术相比，MDC可节省大量能源，其能耗比反渗透（RO）和多级闪蒸（MSF）分别低4千瓦时/立方米和196千瓦时/立方米（Patel等人，2021年）。然而，传统的MDC使用昂贵且对环境有害的无机阴极或催化剂，这些催化剂的阴极还原速率较慢（Aber等人，2023年），例如磷酸盐缓冲剂、铁氰化物或氧气（Bejjanki等人，2021年）。相比之下，生物阴极MDC利用微生物在阴极上形成天然生物膜，促进氧气生成和电子转移，同时去除废水中的有毒化合物（Koltysheva等人，2021年）。使用微藻作为生物阴极可以将MDC转化为光合微生物脱盐细胞（PMDC），利用藻类的光合作用提供氧气，从而无需昂贵的催化剂或机械曝气（Prakash等人，2022年）。此外，PMDC在产生能量的同时还能生成藻类生物量并固定二氧化碳（CO2），从而提供了一种既环保又经济的替代方案（Alseroury，2018年）。
自从将藻类作为环保型生物阴极引入MDC以来（Kokabian和Gude，2013年），许多研究人员评估了PMDC在不同盐溶液和生物阴极下的能量生产和废水处理效果。例如，Nadzri等人（2023年）使用棕榈油厂废水（600毫克/升）作为电解液，35克/升NaCl溶液作为阳极，BBM培养基作为Chlamydomonas sp.（UKM6）和Scenedesmus sp.（UKM9）的培养基。UKM9和UKM6的功率密度分别为1942毫瓦/平方米和1714毫瓦/平方米，分别去除了44%和32%的盐分以及49%和53%的COD。在另一项研究中，使用Oscillatoria sp.在BG-11培养基中的PMDC与使用PBS溶液的对照MDC进行了性能比较。脱盐过程中使用了10、20和30克/升NaCl的合成盐溶液，电解液为乳品废水（500毫克/升COD）。结果表明，在20克/升NaCl条件下，藻类辅助的MDC表现最佳，脱盐效率为65.8%，功率密度为44.1毫瓦/平方米，COD去除率为78%（Bejjanki等人，2021年）。同样，Neethu等人（2019年）使用2.5和5克/升NaCl以及合成废水电解液（3000毫克/升COD）和C. pyrenoidosa作为生物催化剂，在BG 11培养基中进行了实验。结果显示，5克/升NaCl条件下的性能有所提高，盐分去除率为78%±0.32%，COD去除率为71%，功率密度为45.52毫瓦/平方米。
尽管取得了这些进展，但大多数关于PMDC的研究都是在相对较低的电解液浓度下进行的，盐度要么变化较大，要么固定为单一水平，通常使用简单的碳源如葡萄糖（单糖）或醋酸，COD浓度范围为75至3000毫克/升（Jaroo等人，2019年；Neethu等人，2019年），这限制了其工业应用价值。本研究选择了高浓度蔗糖废水，因为它模拟了食品工业（如糖业和饮料工业）的复杂废水，能够更真实地评估MDC和PMDC在工业条件下的性能。为了提高系统的可持续性，本研究使用斜纹藻作为生物阴极，家用废水作为阳极，为藻类生长提供必要的营养，同时处理三级废水。因此，本研究旨在探讨15、25和35克/升NaCl盐度波动对高有机负荷下PMDC性能的协同影响，并通过统计分析比较PMDC和MDC的电压产生、脱盐和有机物去除效率。
部分摘要
MDC的构造
制备了两个矩形微生物脱盐细胞：MDC和PMDC，阳极/阴极室体积分别为900毫升，脱盐室体积为450毫升。两个室之间由面积为128平方厘米的离子交换膜（AMI-7001和CMI-7000）分隔。阴极电极使用面积为32.28平方厘米的石墨棒。阳极室则配备了碳纤维刷电极（The Mill-Rose Company，美国），由围绕钛芯的碳纤维组成。
盐浓度对电压和极化的影
通过1000欧姆的外部电阻测量了PMDC和MDC系统的电压和极化效应。两种系统在中等至高盐度条件下表现出相似的趋势，电压和功率输出均有所增加。然而，如图1a所示，在15、25和35克/升的三种盐浓度下，PMDC产生的电压和功率输出均高于MDC。PMDC在25克/升和35克/升盐度下的平均电压分别为283.3毫伏和282.7毫伏。
结论
在各种盐度水平下比较了PMDC和MDC的效率，25克/升NaCl条件下的结果最佳。最佳性能表现为内部电阻降低和电能生成增加，PMDC的电压比MDC高39.2%。此外，486.5毫克/升的藻类生物量提高了阴极活性，并在高盐度下显著回收了营养物质，从阴极室中去除了65.8%的氮和43%的磷酸盐。
未引用的参考文献
Hou等人，2020年；Kokabian等人，2018年；Kokabian等人，2018年；Koltysheva等人，2021年；Majumder等人，2023年；Patel等人，2021年；Prakash等人，2022年；Ragab等人，2019年；Rizo等人，2021年；Wang等人，2022年；Zamanpour等人，2017年。
CRediT作者贡献声明
赛达·萨菲娜·阿里（Syeda Safina Ali）：撰写——初稿、可视化、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构建。泽尚·谢赫（Zeshan Sheikh）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论设计、资金获取、数据分析、概念构建。齐亚·乌拉（Zia Ullah）：撰写——审阅与编辑、方法论设计、数据分析。拉比亚·利亚夸特（Rabia Liaquat）：验证、方法论设计。张东（Dong Zhang）：撰写——审阅与编辑、验证、方法论设计、数据分析。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢巴基斯坦伊斯兰堡国立科技大学（NUST）环境科学与工程研究所（IESE）和化学与材料工程学院（SCME）的教职员工在整个研究过程中提供的实验室设施、技术支持以及持续的鼓励。
