《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Regulation of Microbial Network and Granular Sludge Stabilization: The Role of Iron-Modified Pumice in a UASB Reactor Treating Incineration Leachate under High Organic Loading
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微生物群落结构演变与铁改性膨胀石调控机制研究。在逐步提升有机负荷率（OLR）条件下，UASB反应器中甲烷生成路径从氢营养型转向多模式协同系统，铁改性膨胀石（FMP）通过增强生物膜形成、促进胞外电子传递及酶活性提升，使系统在OLR达42.39 kgCOD/(m3·d)时实现90% COD去除率及14.56 L CH?/(m3·d)产率（较对照组提升36.7%）。
杨宇舟|张勇|詹宇|邓国豪|王晨|魏伟|罗涛|胡定成
安徽建筑大学环境与能源工程学院，中国安徽省合肥市230601
摘要
在厌氧生物技术中，高有机负荷率（OLR）常常引发微生物菌群失调和系统不稳定。本研究探讨了在逐渐增加的OLR条件下，上流式厌氧污泥毯（UASB）反应器的产甲烷性能，并评估了铁改性浮石（FMP）在增强厌氧消化中的作用。通过逐步增加OLR来阐明微生物的适应机制和系统对高负荷压力的响应。结果表明，增加OLR导致微生物群落结构和代谢途径发生显著变化。水解-产酸菌向增强的大分子水解方向转变，Syntrophomonas菌株得到富集，而产甲烷过程从以氢营养为主发展为以Methanofuran为中心的多模式途径系统。FMP通过促进生物质保留、促进细胞外电子转移以及刺激细胞外聚合物和酶的产生，增强了微生物的韧性。因此，在超高OLR（42.39 kgCOD/(m3·d）条件下，FMP改性的UASB实现了90%的COD去除率和14.56 L CH?/L反应器的甲烷产量（比对照组提高了36.7%）。本研究为稳定高负荷废水处理的微生物调控提供了机制上的见解。
引言
市政固体废物（MSW）的处理和资源化利用一直是环境治理的核心关注点。近年来，特别是由大规模人工智能（AI）模型推动的技术进步，进一步加速了废物转化为能源（WtE）焚烧领域的进展[1]，[2]。这些创新包括改进焚烧过程中的二噁英排放控制[3]，以及开发市政固体废物焚烧底灰（MSWI BA）的更高效利用策略，例如将其用于基于水泥的复合材料中[4]。在这种技术快速发展的背景下，WtE焚烧越来越被认为是城市废物管理和资源回收的主流方法。然而，随着其应用的日益广泛，焚烧渗滤液的处理已成为一个紧迫的环境挑战[5]，[6]，[7]。焚烧渗滤液含有高浓度的难降解有机污染物和复杂的化学成分，使得传统废水处理技术难以有效去除污染物[8]，尤其是在高有机负荷条件下（通常为10–50 kg COD/(m3·d)[9]，[10]）。因此，厌氧生物处理作为一种可行且节能的方法，受到了关注，用于处理高浓度有机废水，包括焚烧渗滤液[11]，[12]。通过厌氧消化，有机物可以被生物降解并转化为甲烷和其他可再生能源，从而实现污染物减少和能源回收的双重效益[13]，[14]。
然而，随着有机负荷的持续增加，尤其是在处理高浓度焚烧渗滤液时，厌氧系统的稳定性和效率经常面临挑战。在高有机负荷率（OLR >30 kgCOD/(m3·d)）下，常见的问题包括水解-酸化效率下降和甲烷产量减少，这限制了高负荷废水处理技术的工程应用[15]。为了解决这个问题，近年来研究人员提出了优化厌氧反应器的运行条件并添加各种改性材料以改善处理性能[16]，[17]。
在探索的各种材料中，浮石因其天然的孔隙性、低成本、化学稳定性和较大的表面积而成为一种有前景的支撑介质。这些特性使浮石特别适合微生物附着和生物膜的形成，这对于提高厌氧系统中的传质和反应效率至关重要[18]。除了作为物理支撑外，浮石还可以通过铁负载等功能改性，以进一步增强其催化活性和微生物富集能力[19]。先前的研究表明，改性浮石可以显著提高生物质保留能力，在高有机负荷条件下缓冲系统稳定性，并促进共生微生物相互作用，从而提升整体厌氧性能。
在此背景下，铁改性材料，尤其是基于铁的矿物，因其在厌氧消化中的作用而受到越来越多的关注。作为有效的电子转移介质，铁物种可以促进物种间的电子转移，从而增强有机物的降解和甲烷的产生[20]，[21]。由于其丰富的表面活性位点和氧化还原活性，铁改性材料已被证明可以刺激关键微生物过程，包括水解、产酸和产甲烷。此外，通过介导微生物电子转移（MET）和促进功能性微生物群落的富集，基于铁的材料可以在高负荷条件下显著提高系统的稳健性和处理效率[22]，[23]，[24]。然而，铁改性材料调节微生物群落结构和功能耦合的具体机制尚不完全清楚，特别是在超高有机负荷率下，微生物动态更为复杂且对环境压力更敏感。
本研究的目的是评估铁改性浮石作为在高有机负荷条件下运行的上流式厌氧污泥毯反应器中处理焚烧渗滤液的导电支撑介质的效果。采用对比实验设计，其中一个对照组UASB反应器不添加FMP，以系统评估FMP对反应器性能、甲烷产量和微生物群落演变的影响。反应器经历了逐渐增加的有机负荷率，达到代表高负荷运行的值（OLR > 30 kgCOD/(m3·d)，以评估系统在高负荷压力下的稳定性和微生物适应性。包括我们早期结合臭氧氧化和铁改性浮石的工作在内的先前研究已经表明，铁可以增强酶活性，加强电子转移链，并在高浓度焚烧渗滤液的厌氧处理过程中促进特定功能性微生物的富集[25]。然而，这些研究主要集中在微生物富集结果上，缺乏对微生物功能变化、物种间相互作用以及长期高负荷运行期间群落结构动态变化的深入分析。因此，本研究旨在系统阐明FMP在高OLR条件下在UASB反应器中的调控机制，特别关注微生物功能重塑和物种间电子转移。研究结果有望为提高处理高负荷焚烧渗滤液的厌氧处理系统的稳定性和效率提供机制理解和技术支持。
章节摘录
Fe?O?纳米改性浮石（FMP）的制备
本研究中使用的铁改性浮石的合成方法已在我们之前的出版物中进行了优化和详细描述，包括详细的制备程序和吸附性能评估[25]，[26]。简要来说，制备过程包括四个主要步骤：干燥、混合、负载和退火。在干燥步骤中，将浮石放置在100°C的烤箱中12小时。在混合步骤中，10克预干燥的浮石与含有20.0克硫酸铁、12.0克尿素和50毫升溶液的混合
Fe?O?纳米改性浮石的特性
图1显示了浮石和Fe?O?纳米改性浮石的XRD图谱。改性后Fe?O?衍射峰的出现证实了Fe?O?成功负载在浮石表面。图2展示了浮石及其Fe?O?纳米改性版本的SEM图像。浮石表面粗糙，分布着许多孔隙。改性后，浮石的表面形态发生了显著变化，球形的Fe?O?颗粒均匀地负载在
结论
本研究阐明了在高有机负荷率下上流式厌氧污泥毯反应器的微生物适应模式，并展示了铁改性浮石的稳定作用。结果表明，增加OLR促进了微生物群落向多样化和协调的产甲烷途径的功能转变，提高了系统在高负荷条件下的韧性。FMP的加入有效促进了生物质保留和代谢
CRediT作者贡献声明
胡定成：监督、资源提供。罗涛：监督、资源提供。魏伟：监督、资源提供。王晨：可视化、软件、调查。邓国豪：软件、方法学、正式分析。詹宇：撰写——初稿、监督、调查、正式分析、数据管理。张勇：可视化、监督、资源提供、项目管理、数据管理、概念构思。杨宇舟：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了“利用纳米改性浮石提高UASB处理焚烧渗滤液厌氧性能的研究（2024AH050228）”以及“长江中下游河流和湖泊水生生态修复关键技术研究：用于处理初期雨水径流污染的低碳生态技术（XBSZKY2408）”的支持。
