Bio-clogging mitigation in constructed wetland using microbial fuel cells with novel hybrid air-photocathode

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作者
Wenyue Wang,Dong Liu,Tianyu Zhai,Wenpeng Wang,Huazhen Wu,Fanlong Kong,Yuqian Cui,Sen Wang
出处
期刊:Science of The Total Environment [Elsevier BV]
卷期号:881: 163423-163423 被引量:27
标识
DOI:10.1016/j.scitotenv.2023.163423
摘要

Excessive accumulation of extracellular polymeric substances (EPS) in constructed wetland (CW) substrate can lead to bio-clogging and affect the long-term stable operation of CW. In this study, a microbial fuel cell (MFC) was coupled with air-photocathode to mitigate CW bio-clogging by enhancing the micro-electric field environment. Because TiO2/biochar could catalyze and accelerate oxygen reduction reaction, further promoting the gain of electric energy, the electricity generation of the tandem CW-photocatalytic fuel cell (CW-PFC) reached 90.78 mW m-3. After bio-clogging was mitigated in situ in tandem CW-PFC, the porosity of CW could be restored to about 62.5 % of the initial porosity, and the zeta potential of EPS showed an obvious increase (-14.98 mV). The removal efficiencies of NH4+-N and chemical oxygen demand (COD) in tandem CW-PFC were respectively 31.8 ± 7.2 % and 86.1 ± 6.8 %, higher than those in control system (21.1 ± 11.0 % and 73.3 ± 5.6 %). Tandem CW-PFC could accelerate the degradation of EPS into small molecules (such as aromatic protein) by enhancing the electron transfer. Furthermore, microbiome structure analysis indicated that the enrichment of characteristic microorganisms (Anaerovorax) for degradation of protein-related pollutants, and electroactive bacteria (Geobacter and Trichococcus) promoted EPS degradation and electron transfer. The degradation of EPS might be attributed to the up-regulation of the abundances of carbohydrate and amino acid metabolism. This study provided a promising new strategy for synergic mitigation and prevention of bio-clogging in CW by coupling with MFC and photocatalysis.
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