正文
Constructed Wetlands, CWs
）因其绿色环保、运行费用低的优势被广泛应用于全球五十多个国家的污水处理领域。然而，由于其依赖自然生态过程，单一
CW
系统在污染物去除方面存在处理能力的上限。为了进一步提升
CW
的处理效率，近年来研究者将微生物燃料电池（
Microbial Fuel Cell, MFC
）和微生物电解池（
Microbial Electrolysis Cell, MEC
）等生物电化学系统（
BES
）与
CW
进行耦合，构建复合系统以增强污染物降解效果并实现同步能源回收（如
图
2
）。
MFC-CW
系统通过阳极处电外呼吸菌氧化有机物并释放电子，经外部电路传输至阴极，在氧气还原过程中形成电流，实现能量回收。
MEC-CW
系统则在外加低电压驱动下促进脱氮、除磷等反应，表现出良好的污染物去除能力。尽管两者在阳极电子供体和阴极电子受体方面机制相似，但各自仍存在局限性，例如能量回收效率低、对运行条件敏感等。
基于此背景，本研究提出一种新型
MFC-MEC-CW
复合系统（
MFEC-CW
），探索多种电极共享结构（包括独立式与共享式阳极
/
阴极配置）对系统电能输出与污染物去除效率的影响。研究目标为：评估其协同运行的可行性，分析生物电化学效应的增强机制，并寻求最优的耦合结构以实现系统整体性能的最大化。
图
2
关于
MFC-CW
和
MEC-CW
之间耦合的示意图：（
a
）
MFC-CW
和
MEC-CW
的理论基础；（
b
）
MFEC-CW
系统的概念示意图
图文导读
1.
系统构建与实验设置
实验构建了
8
个平行反应器，使用
500 mL
注射筒作为反应器主体，内部填充常见人工湿地基质材料
-
石英砂和活性炭，并嵌入
4
块不锈钢网作为电极，分别代表传统
CW
、
MFC-CW
、
MEC-CW
以及
5
种
MFEC-CW
结构（
MFEC-ieD, ieE, scF, scG, saH
）。不同配置之间主要差异体现在电极连接方式及是否共享阳极
/
阴极。
图
3
展示了
MFC
与
MEC
在
CW
中耦合的理论基础、结构配置示意图以及系统实物图，为后续性能比较奠定了基础。
图
3
MFEC-CW
的原理图配置：（
a
）
MFEC-CW
系统的整体结构图；（
b
）和（
c
）是
MFEC-CW
系统的装置照片；（
d
）是所有
MFEC-CW
系统的原理图。
2.
电化学性能分析（
图
4
和
图
5
）
日常电压及电极电位监测结果表明，共享阳极系统
MFEC-saH
的输出电压最高，达到平均
255.48 mV
，阳极电位最低（
−4.02 mV
），表现出最佳的电极电势匹配。这一结构有效增强了
MFC
内部电场强度，促进了微生物电产性能的提升。
图
4
微生物燃料电池（
MFC
）电路的每日电压
/
电位记录：（
a
）
B
、
D
、
E
、
F
、
G
和
H
的每日电压
/
电位记录；（
b
）
B
、
D
、
E
、
F
、
G
和
H
的
MFC
电路
58
天内的平均电压
/
电位
实时电流与功率计算表明，
MFEC-saH
实现了最高的净功率输出（
36.75 μW
），而共享阴极系统（
scF
、
scG
）因外加电压对阴极电位的抬升，反而引起
MFC
阳极反应受抑，从而净功率为负，表现为耗能结构。
图
5
对
MFC
电路电压输出（
a
）和
MEC
电路电流（
b
）的实时监测
此外，该系统在冬季运行期间的温度波动下仍保持良好的输出稳定性，验证其较强的环境适应能力。
3.
充放电行为与能耗评估（
图
6
）
通过充放电实验揭示不同连接方式下系统的能量损失情况。
MFEC-saH
的总能量损失为
214.11 mV
，远低于传统
MFC-CW
（
425.24 mV
），说明其电极极化更小、电传导性能更好。拟合函数进一步证实，
MFEC-saH
在阳极端能量损失最小（
121.14 mV
），显示出阳极共享在降低电极阻抗、增强生物电极活性方面的显著优势。
共享阴极系统虽然可促进
MEC
回路的反应（
MEC
电流升高），但由于电位上升抑制了
MFC
阳极反应，导致整体
MFC
输出下降，系统净能耗增加。
