集约化养猪场排放的大量废水污染物浓度高。如若处理不当会对周围环境和人的健康造成危害，因此，需要对养猪废水进行处理后排放。厌氧消化（Anaerobic digestion，AD）是处理猪废水的常用方法，可以有效去除有机物并回收能源沼气。然而，AD存在处理效率较低、运行不稳定等问题。最近的研究发现，微生物电解池耦合厌氧消化（Microbial electrolysis cell coupled anaerobic digestion，MEC-AD）可通过阴极析氢诱导氢营养型产甲烷菌的富集来提高产甲烷性能和运行稳定性，并在阳极富集电活性微生物来加速有机物的降解。然而，电极的性能对MEC的效果影响很大，MEC长期运行的能源消耗问题也值得关注。本研究对MEC阴极材料进行设计，通过将具有催化性能的金属有机骨架（MOFs）应用到MEC-AD的阴极中，设计了一种由不锈钢网包裹的FeNi-MOFs静电纺丝纤维膜复合阴极。处理养猪废水的实验发现，碳化的MOFs复合阴极（FeNi₂-PAN2）反应器实现了最高82.92%的SCOD去除率和213.47 mL CH₄/g COD的最大累积甲烷产量，分别比传统AD对照反应器高33.14%和57.56%，同时也高于碳纸（CP）阴极反应器。FeNi₂-PAN2阴极更快的电流响应以及更小的电荷转移电阻，促进了功能微生物的富集和活性的提高；FeNi₂-PAN2阴极富集了丰度最高的氢营养型产甲烷菌（Methanobacterium和Methanoculleus），促进了产甲烷途径的转变，提高了系统稳定性和催化产甲烷效果。进一步地，从降低成本和提高电极生物相容性的角度出发，设计了NiCo-BDC复合水热炭材料，并用其修饰阴极。另外，还将风能光能互补发电装置用于MEC的供能，并通过设置不同供电时间的方式进一步减少能源消耗。不同阴极和供电方式的对比实验结果表明，通电18 h后断电6 h的MOFs复合水热炭阴极组（HCM-18）实现了最高的累计甲烷产量（305.11 mL/g COD），比AD反应器提高了36.89%，同时也略高于24 h持续供电的HCM-24组。间断供电提高了阴极生物膜的活性，还实现了更高的能量回收效率，有效减少了MEC-AD系统的能量消耗。不同阴极之间的对比发现仅添加水热炭阴极组HC-18虽然形成了更厚的生物膜，但受催化活性较低的影响，其累计甲烷产量比不锈钢网SSM-18组低了11.6%，这说明了阴极具备催化活性的重要性。微生物群落分析发现，HCM-18组表面富集了更高的氢营养产甲烷菌（Methanoculleus），这可能是HCM阴极在最高氨氮浓度下仍保持高产甲烷性能的原因。

 

微生物电解池；厌氧消化；养猪废水；金属有机骨架；甲烷