The microbial fuel cell (MFC) was proved to be a novel bioprocess capable of recovering electrical energy from organic matter. In this study, we report that by using permanganate as the cathodic electron acceptor for a MFC we were actually able to recover much more electrical power than using other existing types of electron acceptors, e.g. using permanganate as the cathodic electron acceptor for a two-chamber MFC generated a maximum power density of 115.60 mW m−2 which was, respectively, 4.5- and 11.3-fold higher than that produced by using hexacynoferrate (25.62 mW m−2) and oxygen (10.2 mW m−2) as the cathodic electron acceptor. This could be attributed to the higher open circuit potential (OCP) provided by permanganate in the MFC. Besides, pH, unlike permanganate concentration, was further found to have a major impact on the OCP and the cathode potential. SEM and XPS analysis demonstrated that manganese dioxide (MnO2) was in fact the main reduced product of the permanganate at pH 3.6. Moreover, as compared to a two-chamber MFC, a bushing MFC using permanganate as the cathodic electron acceptor achieved an unprecedented maximum power-output of 3986.72 mW m−2. This study for the first time showed that permanganate could be used as an effective cathodic electron acceptor for a MFC.

Microbial fuel cell (MFC) can generate electricity from organic substances based on anodic electrochemically active microorganisms and cathodic oxygen reduction reaction (ORR), thus exhibiting promising potential for harvesting electric energy from organic wastewater. The ORR performance is crucial to both power production efficiency and overall cost of MFC. A new type of metal‐organic‐framework‐derived electrocatalysts containing cobalt and nitrogen‐doped carbon (CoNC) is developed, which is effective to enhance activity, selectivity, and stability toward four‐electron ORR in pH‐neutral electrolyte. When glucose is used as the substrate, the maximum power density of 1665 mW m −2 is achieved for the optimized CoNC pyrolyzed at 900 °C, which is 39.8% higher than that of 1191 mW m −2 for commercial Pt/C catalyst in the single‐chamber MFC. The improved performance of CoNC catalyst can be attributed to large surface area, microporous nature, and the involvement of nitrogen‐coordinated cobalt species. These properties enable the efficient ORR by increasing the active sites and enhancing mass transfer of oxygen and protons at “water‐flooding” three‐phase boundary where ORR occurs. This work provides a proof‐of‐concept demonstration of a noble‐metal‐free high‐efficiency and cost‐effective ORR electrocatalyst for effective recovery of electricity from biomass materials and organic wastewater in MFC.

The addition of composite conductive materials is being increasingly recognized as a promising strategy to enhance anaerobic digestion (AD) performance. However, the influence of these materials on protein hydrolysis has been poorly documented. Here, a novel magnetic biochar derived from oil sludge and straw was synthesized using different iron sources and successfully applied in sludge AD. Experimental results revealed that magnetic biochar modified by Fe2+ exhibited excellent electron transfer capacity, moderate magnetization, diverse functional groups (e.g. C=O, C-O=O-), and abundant iron distribution. These characteristics significantly enhanced the hydrolysis of tryptophan-like components, leading to increased methane production (144.44 mL gVS−1 vs 79.72 mL gVS−1 in the control test). Molecular docking analysis revealed that the binding of magnetic biochar related Fe2+ and Fe3+, onto sludge proteins via hydrogen bond played a key role in promoting subsequent protein hydrolysis. Additionally, the noteworthy conservation of protein structures from α-helix and β-sheet to random coil, along with the breakdown of the amide I-associated C=O group and amide III-related C-N and N-H bonds following the addition of magnetic biochar, accelerated the degradation of sludge protein. Observation of variations in protease activity, coenzyme F420, electron transfer system (ETS), and conductivity within the AD systems, particularly the enrichment of Methanospirillum and Methanosaeta archaea, as well as the Petrimonas, Comamonas, and Syntrophomonas bacteria, suggested that magnetic biochar facilitated a conducive environment by improving hydrolysis-acidification and the direct interspecies electron transfer (DIET) process for acetoclastic methanogens. Moreover, metabolic pathways further proved that tryptophan metobalism and acetoclastic methanogenesis were both facilitated by magnetic biochar. This study provides an in-depth understanding of the impact of magnetic biochar on protein hydrolysis in sewage sludge AD.

Peroxydisulfate (PDS) additive has been proven as an effective strategy to enhance short-chain fatty acids (SCFAs) production from waste activated sludge (WAS), which can achieve dual objectives of waste disposal and resource recovery. However, the high cost of PDS limits its large-scale application in sludge treatment. This study explored the feasibility of using natural pyrite (FeS2) as an activator for PDS to enhance its capacity for promoting SCFAs production while reducing the required dosage. Compared to sole PDS (1 mM/g volatile suspended solids (VSS)), FeS2/PDS co-treatment (0.5 mM/g VSS PDS + 0.6 mM/g VSS FeS2) obviously increased the maximum SCFAs production from 4589.5 mg COD/L to 5951.3 mg COD/L, accompanied with an enhanced proportion of acetate from 62.0 % to 75.2 %. Mechanism exploration revealed that FeS2/PDS enhanced the generation of hydroxyl radicals (•OH) and sulfate radicals (SO4•−), thereby promoting WAS solubilization and hydrolysis. The detectable soluble chemical oxygen demand within the supernatant after 4 days of co-treatment fermentation was 5.3-fold higher than that in the single FeS2 test and 2.0-fold higher than that in the single PDS test. Meanwhile, the activities of key enzymes, including protease, α-glucosidase, acetate kinase, and butyrate kinase, were also significantly enhanced after the FeS2/PDS treatment, accompanied with an increase in the abundance of hydrolytic and acidogenic microorganisms such as Acinetobacter, Clostridium_sensu_stricto, and Fonticella. Besides, FeS2/PDS co-treatment improved the dewaterability (42.7 % reduction in capillary suction time) and reduced operation cost (37.9 % decrease), as compared to the sole PDS (1 mM/g VSS) treatment. These findings suggest that FeS2/PDS co-treatment is a promising and cost-effective technique to enhance WAS anaerobic fermentation.

Freeze-thaw cycle (FTC) is a naturally occurring phenomenon in high-latitude terrestrial ecosystems, which may exert influence on distribution and evolution of microbial community in the soil. The relationship between transmission of antibiotic resistance genes (ARGs) and microbial community was investigated upon the case study on the soil of cold-region dairy farm under seasonal FTC. The results demonstrated that 37 ARGs underwent decrease in the abundance of blaTEM from 80.4 % for frozen soil to 71.7 % for thawed soil, and that sul2 from 8.8 % for frozen soil to 6.5 % for thawed soil, respectively. Antibiotic deactivation was identified to be closely related to the highest relative abundance of blaTEM, and the spread of sulfonamide resistance genes (SRGs) occurred mainly via target modification. Firmicutes in frozen soil were responsible for dominating the abundance of ARGs by suppressing the native bacteria under starvation effect in cold regions, and then underwent horizontal gene transfer (HGT) among native bacteria through mobile genetic elements (MGEs). The TRB-C (32.6–49.1 %) and tnpA-06 (0.27–7.5 %) were significantly increased in frozen soil, while Int3 (0.67–10.6 %) and tnpA-04 (11.1–19.4 %) were up-regulated in thawed soil. Moreover, the ARGs in frozen soil primarily underwent HGT through MGEs, i.e. TRB-C and tnpA-06, with increased number of Firmicutes serving as carrier. The case study not only demonstrated relationship between transmission of ARGs and microbial community in the soil under practically relevant FTC condition, but also emphasized the importance for formulating better strategies for preventing FTC-induced ARGs in dairy farm in cold regions.

Heat pump technology is an effective means of utilizing low-temperature waste heat, and the ejector heat pump presents itself as a favorable option due to its simplistic structure, convenient maintenance, and flexible refrigerant selection. However, conventional heat pumps often encounter issues such as corrosion and blockage in the wastewater-side heat exchanger. Therefore, this study proposes a novel system configuration: replacing the compression heat pump with an ejector heat pump, employing flash evaporation technology for heat exchange on the wastewater side, and preheating the supply water. This paper aims to investigate the operational characteristics and economic feasibility of implementing this system for dyeing waste heat recovery. The findings demonstrate that under the design condition, the COP for the heat pump can reach 1.654, while the comprehensive heating coefficient for the entire system can achieve 2.48. During actual operation, it is observed that the COP is most sensitive to the process supply water flow rate, whereas the comprehensive heating coefficient is most sensitive to the waste water temperature. It should be noted that exceeding 1.2 times the design flow rate for process supply water may result in evaporative heat exchanger failure. Furthermore, economic analysis demonstrates that the system exhibits static and dynamic investment payback periods of 2.42 years and 2.8 years, respectively, which are comparatively shorter than those observed in traditional heat pump systems of similar capacity. This indicates that the novel system possesses stronger anti-risk ability along with greater feasibility.

Oil spill disasters lead to widespread and long-lasting social, economical, environmental and ecological impacts. Technical challenges remain for conventional static adsorption due to hydrodynamic instability under complex water-flow conditions, which results in low oil-capture efficiency, time delay and oil escape. To address this issue, we design a vortex-anchored filter inspired by the anatomy of deep-sea glass sponges (E. aspergillum) by mimicking their exceptional skeletal features and filter-feeding patterns. Results demonstrate that the vortex-anchored filter can retain external turbulent-flow kinetic energy in low-speed vortical flow with small Kolmogorov microscale (85 μm) in the cavity of skeleton, leading to enhanced interfacial mass transfer and residence time by physical field synergy. It improves hydrodynamic stability by reducing Reynolds stresses in nearly quiescent wake flow. The vortex-anchored filter can realize >97% capture of floating, underwater and emulsified oils stably at Reynolds numbers ranging from subcritical to supercritical regimes. This study not only highlights the importance of vortex-anchored mechanism in enhancing interfacial mass transfer and hydrodynamic stability during oil capture beyond previously known benefits of increased residence time, but also represents a paradigm shift to advance biophysically inspired strategies for in-situ, dynamic and robust cleanup of spilled oil, environmental remediation and resource recovery. The authors develop a filter for oil cleaning in turbulent flows, inspired by the skeletal structures and filter patterns of deep-sea glass sponges. This filter could capture over 97% of floating and underwater oil, even under complex hydrodynamic conditions.