河流是地球生态系统中的重要组成部分。随着我国城市工业化的快速发展,大量工业废水和生活污水排入城镇附近河涌。河涌沉积物中蓄积了大量的污染物,成为上覆水体二次污染的重要原因,对居民生活环境和健康造成了极大威胁。有效实用的河涌沉积物修复技术是加速污染河流净化的重要途径。生物电化学系统是一种新型的环保能源技术,可在加速污染物降解的过程中产生电能。本研究通过运用电化学工作站、气质联用色谱仪、共聚焦显微镜和高通量测序等方法和技术,在分析比较沉积物微生物燃料电池(SMFC)和微生物电化学通气管技术(SMES)这两类重要的生物电化学系统对沉积物修复促进作用的基础上,重点探究了影响SMFC产电和有机污染物降解效果的关键因素,并对SMFC的产电性能进行了优化。在此基础上,在珠三角某渔业养殖废水严重污染河涌的现场构建了集原位强化修复与能源回用于一体的中试SMFC。主要开展的研究内容及取得的结论如下:1.研究发现SMFC比SMES更适合作为污染沉积物原位修复技术。与SMES相比,SMFC可以在输出电能(10.7 mW/m~2)的同时,使持久性有机污染物(PAHs)的降解效率提高28.23%。进一步的分析发现,SMFC阳极表面的生物膜具有较强的电化学活性和呼吸(氧气消耗)速率,而SMES生物膜电化学活性较弱,产电电压仅为SMFC的20%-30%。这些结果表明,尽管SMFC和SMES同为生物电化学系统,但二者所富集的功能微生物及对PAHs的降解效率有显著差异,SMFC更适合作为沉积物原位修复技术。2.研究阐明光照对SMFC的PAHs降解和产电性能具有一定的抑制性。光照在SMFC启动阶段会抑制其产电和电能输出,但在后期没有显著影响。相应地,避光条件下SMFC的PAHs整体降解效率高于光照SMFC,但光照SMFC对?、苯并荧蒽和苯并芘有特异性的强化降解效果,可能是由于阳极电位富集了特殊功能菌。激光共聚焦显微镜分析显示,光照条件下阴极的生物膜更为致密,生物量更大。活性染色显示大部分活性功能微生物分布于生物膜表层,内层细胞活性较低。光照SMFC在不同光照强度条件下产电性能较为稳定,而避光阴极生物膜见光时产电略有下降。本部分的研究表明光照对SMFC的PAHs降解和产电性能会略有抑制,在实际应用时应注意避光。3.发现集电导线数量对SMFC原位修复效果的强化作用。SMFC的产电性能可以通过在阴阳不同位置增加集电导线数量而显著提高,在阴极增加导线数量时效果更为显著。阳极表面沉积物中越靠近导线的地方有机物浓度、硫化物和还原性铁浓度越低,表明电极表面越靠近导线的微生物功能越强。阴极生物量和生物膜电化学活性也与导线的距离呈负相关。这些结果表明,逐渐降低的电极呼吸活性造成了SMFC电极不能充分利用电子,简单的增加集电导线数量可能是突破SMFC性能的有效方法。4.在珠三角某渔业养殖废水污染河涌进行SMFC的原位强化治理中试研究。选择在当地气温最低的11至2月份运行,水温变化范围为6-25oC,SMFC输出电压为0.84-0.95 V之间,最大功率密度0.017 W/m~2。原位中试研究表明SMFC在珠三角地区可作为一种常年运行的沉积物修复-产电一体化设备。本研究的创新性及科学意义体现在以下三个方面:(1)首次比较了SMFC和SMES对污染沉积物的强化修复性能,为选择更加高效适用的生物修复技术提供参考;(2)首次评估了光照对SMFC性能的影响,对SMFC在实际应用时性能的提高及长期稳定运行具有重要指导意义;(3)发现了SMFC阳极表面沉积物中理化特征的梯度分布规律和阴极生物膜电化学活性与集电导线距离呈负相关的规律,这可能是抑制SMFC扩大化性能提高的关键因素,并提出了增加集电导线数量可大大提高SMFC性能的有效方法,有望成为推动SMFC在污染沉积物修复和生物电能回收领域扩大化应用的重要进展。