1. 研究目的与意义
随着可持续发展理念的深入贯彻，我国经济社会发展越来越注重环境保护问题，绿水青山就是金山银山的理念成为普遍共识。水污染是环境污染中不可忽视的一部分，以农村污水为例，由于其排放的分散性与间歇性未能得到妥善处理，导致农村水体富营养化，影响经济发展与乡村振兴进程。正确解决水污染问题，是实现可持续发展的必由之路。
在现有的污水处理方式中，人工湿地（Constructed wetland，CW）污水处理具有高效、运行成本低、易于维护、社会效益与生态效益显著等优势，与传统的一体化污水处理相比，人工湿地以其建设及运行维修成本较低、可减小水力负荷所造成的影响，可直接和间接提供更多的经济和社会效益，因此得到了广泛应用[1]。人工湿地主要由基质、植物、微生物三部分组成，通过模拟自然湿地，进行物理、化学和生物三重反应来去除水中的污染物[2-3]。基质如沸石、陶粒、生物炭等，具有吸附性良好、理化性质稳定、比表面积大等优势，主要起到物理吸附和过滤等作用，基质的类型与其所处位置对污染物去除起到的作用有所差异；湿地植物的根系具有多种作用，例如分泌氧气，为湿地中的硝化反应等一系列好氧反应提供良好条件，有利于污染物的去除，此外还能起到污染物富集、过滤等作用，不同种类的植物对污染物去除的能力也不相同；湿地微生物的种类众多、分布广泛、作用各异，主要分为厌氧微生物、好氧微生物和兼性厌氧微生物三类，以好氧微生物为例，这类微生物可以利用植物根系释放的氧气来去除污水中的有机氮[4-5]。根据地形地势选择种植合适的湿地植物，科学搭配选用恰当的湿地基质，优化湿地微生物群落，选择适合的进水方式是提升人工湿地对污染物去除能力的有效途径[5]。
随着科学技术的发展，微生物燃料电池技术（Microbial fuel cell，MFC）在近些年也备受人们关注，MFC是一种以电化学活性细菌（EAB）为催化剂，利用微生物降解有机物并将化学能转化为电能的技术，MFC主要由反应器、阳极、阴极、离子交换膜以及外电路构成。在反应过程中，产电微生物在阳极区域富集，氧化降解有机物同时产生质子和电子，质子通过离子交换膜跃迁至阴极，而电子最终汇集到阳极上，通过外电路也传递到阴极，电子、氢离子和氧气在阴极发生还原反应生成水并产生电流[6]。根据其运行原理，加之运行成本低、便于建造与维护等优势，我国对MFC技术在产电和污水处理方面开展的研究也取得不小的进展，为MFC技术的推广和应用提供了理论支持[7]。相对于人工湿地来说，微生物燃料电池占地面积不大，此外还有安装便捷和运行成本较低的优势。并且，MFC具有无二次污染，无需安装曝气设施且能产生电能的优点，虽然我国在上个世纪末才开始潜心于研发微生物燃料电池技术，但在美化环境、产电和污水处理方面都取得了显著成果，并使科研成果得到有效转化。人工湿地植物根系分泌的氧气，通过跨膜运输可在根际处形成溶解氧的跨膜浓度梯度，湿地床体也随之产生丰富的氧化还原电位差，这使微生物燃料电池阴、阳极可与人工湿地中的氧化还原环境相匹配；人工湿地之所以具有更强的微生物催化活性和氧化还原活性，是因为植物根系所具有的特殊的根际菌群和根际酶在发挥作用，因而，有利于配合微生物燃料电池降解有机物[6-8]。
2. 研究内容和问题
研究内容：
为提高人工湿地（constructed wetland，CW）单位面积净化效率，将微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)与CW进行耦合，并通过系统设计优化，在不同水力负荷下运行，通过系统的物理、化学和生物学过程，分析不同水力负荷对CW-MFC装置性能的影响，提升CW-MFC耦合系统的产电能力。
3. 设计方案和技术路线
研究方法：
1.在两种不同水力负荷条件下运行CW-MFC装置，并外接电阻箱，测量其产电电压。
2.通过计算系统产电的电流密度、功率密度等指标变化，分析不同水力负荷条件下系统产电效率的差异；
4. 研究的条件和基础
本课题在南通大学校园内纺化楼实验室进行。
自制CW-MFC三套，配有自动供水、自动电压监测设备，系统已连续稳定运行一年。
指导老师实验室组拥有占地面积 60 平米的温室基地，配有便携式水质分析仪（Thermo Orion Star A329，用于水体 pH、溶氧、ORP 测定）、电化学工作站（上海辰华 CHI600，用于电势与极化曲线测试）、数据采集系统（北京瑞博华 RBH8251 ， 用于输出电压记录）、全自动间断化学分析仪（ DeChem-Tech CleverChem 200，用于水体各形态氮、磷浓度分析），可充分满足实验所需。
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