Fe@Fe?O?预处理提升了厌氧污泥发酵过程中短链脂肪酸的产率：阐明了水解-酸化过程的表现及其机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Fe@Fe 2O 3 pretreatment enhanced production of short-chain fatty acids from anaerobic sludge fermentation: Elucidating hydrolysis-acidification performance and mechanisms

短链脂肪酸（SCFAs）产量提升策略研究，采用Fe@Fe?O?预处理增强废水活性污泥（WAS）厌氧发酵产酸效果，最大产率达5037±56.5 mg COD/L，较常规处理提高76.4%，其机制涉及污泥细胞破裂、产酸菌群富集（如Christensenellaceae_R-7_group）、关键酶活性增强及产甲烷酶抑制，同时材料具备高重复利用性（96.6%首次使用后效能）。

　　

Jinbao Xu|Jipeng Zou|Xiaowei Zhang|Sifeng Jian|Liang Zuo|Peiyao Song|Linqing Qiu|Wei Li|Yongkang Dai|Yongsheng Chen|Lei Miao|Gang Guo|Xiaonan Feng

华中科技大学环境科学与工程学院，水与废水处理重点实验室（HUST），中国湖北省武汉市，430074

摘要

本研究提出了一种新的策略，利用Fe@Fe₂O₃预处理来提高厌氧发酵过程中从废弃活性污泥（WAS）中产生的短链脂肪酸（SCFAs）的产量。结果表明，随着Fe@Fe₂O₃添加量的增加（从0增加到0.1 g/g VSS），SCFAs的产量从2870±98.12 mg COD/L显著提升至5037±56.5 mg COD/L。此外，Fe@Fe₂O₃具有较高的重复使用性，在第一次使用后仍能保持96.6%的效能。机制分析表明，Fe@Fe₂O₃预处理诱导了污泥细胞的裂解并释放了有机底物，从而丰富了具有水解和产酸功能的有益菌群（例如*Christensenellaceae_R-7_group*），提高了参与水解和产酸的关键酶活性，并抑制了产甲烷酶的活性，这些因素共同促进了SCFAs的有效积累。本研究的结果为从WAS中回收资源以实现可持续发展提供了一种有前景的策略。

引言

污水处理厂（WWTPs）每年产生大量的废弃活性污泥（WAS）[1]，这带来了重大的环境和经济挑战，因为其处理成本高昂且存在相关的健康风险[2]、[3]。另一方面，WAS含有丰富的有机物和营养物质，通过适当的策略可以将其作为可利用的资源[4]、[5]。这种方法不仅实现了环境可持续性，还有助于低碳和循环经济的发展。厌氧发酵（AF）是一种被认定为可持续且低碳的WAS处理技术[6]、[7]。AF将有机物转化为有价值的产品，如短链脂肪酸（SCFAs），其平均市场价格超过600美元/吨，并且是生物营养物去除系统的首选碳源[8]、[9]。在全球努力实现碳中和的背景下，污泥管理策略必须优先考虑节能和资源回收。

然而，传统的AF方法在产生SCFAs时通常会受到胞外聚合物物质（EPSs）和坚硬的细胞壁的阻碍，这进一步限制了能够被SCFAs产生微生物有效利用的底物的数量[10]、[11]。为了解决这一问题，已经开发了多种预处理方法，包括物理、化学、生物和综合方法，以加速WAS的分解并提高SCFAs的产量[12]、[13]。不幸的是，上述处理技术由于需要大量的化学和能源投入而成本较高，而且往往效果有限。因此，在厌氧发酵之前开发并选择高效的污泥预处理方法对于后续的SCFAs生产至关重要。

基于铁的材料作为一种环保材料，产生的副产品无毒且可进行磁性回收，因此受到了关注，因为它们能够增强微生物活性和种间电子转移，从而促进SCFAs的生产[14]、[15]。有研究表明，添加零价铁（ZVI）可以增强产酸菌的活性，丙酸转化为乙酸的转化效率提高了30-50%[16]。研究指出，在ZVI介导的厌氧过程中，Fe(II)和Fe(III)的协同作用促进了SCFAs的产生，其中Fe(II)起主要作用。这种效应可能归因于Fe(II)在促进微生物生长和增强相关酶活性方面的作用[14]、[17]。然而，在实际处理过程中，ZVI会逐渐钝化，从而抑制了铁的持续溶解[18]。为了解决ZVI钝化问题，研究表明ZVI核心与其氧化铁壳之间的协同作用可以减轻钝化效应，同时促进铁物种的氧化还原循环[19]。基于这一原理，本研究提出用氧化铁保护层（例如Fe₂O₃）对ZVI进行改性。文献证据表明，这种氧化层可以防止ZVI钝化，并实现金属核心的持续电子转移[20]。这一过程有助于在界面处持续生成Fe2?和氧化铁。ZVI核心与氧化铁壳之间的协同作用可能促进铁物种的氧化还原循环，从而在厌氧发酵过程中提高SCFAs的产量并刺激产酸微生物的增殖。然而，关于使用Fe@Fe₂O₃来提高AF过程中SCFAs产量的研究报道较少。

因此，本研究旨在探讨Fe@Fe₂O₃预处理在提高厌氧发酵SCFAs产量方面的性能并阐明其作用机制，具体目标如下：（1）研究三种不同基于ZVI的材料对发酵系统中SCFAs产量的影响；（2）考察Fe@Fe₂O₃预处理在各种条件下提高SCFAs产量和促进有机物浸出方面的效果；（3）评估Fe@Fe₂O₃添加对不同条件下酶活性和微生物群落的影响。本研究的结果有望为利用Fe@Fe₂O₃预处理策略从WAS中生产SCFAs提供新的见解。

部分摘录

WAS和接种源

WAS是从中国武汉某污水处理厂的二次沉淀池中收集的。接种用的污泥来自一个在35±0.5℃下运行了150天以上的实验室规模厌氧消化器。使用前，污泥通过1毫米筛子筛选并浓缩12小时。总悬浮固体（TSS）和挥发性悬浮固体（VSS）的含量分别为16.4±1.1 g/L和9.4±0.2 g/L。其他污泥的物理化学性质见表S1。

基于铁的材料的合成

筛选基于铁的材料以提高SCAFs的产量

为了选择最佳的预处理材料，本研究比较了ZVI、Fe@Fe₂O₃和Fe@Fe₃O₄三种基于铁的材料的效果。图1(a)显示，在AF过程中，这三种基于铁的材料对SCFAs的产量产生了不同的影响。添加0.3 g/g VSS的Fe@Fe₂O₃后，第7天的最大SCFAs产量达到了2166.63±47.54 mg COD/L，分别是ZVI和Fe@Fe₃O₄的8.5倍和10.2倍。经过24小时的预处理后，

结论

本研究开发了一种使用Fe@Fe₂O₃预处理的策略，以提高WAS厌氧发酵过程中SCFAs的产量。最佳预处理显著提高了SCFAs的产量，并展示了出色的材料重复使用性。其增强机制主要归因于促进了污泥细胞的裂解和有机物的溶解，从而增加了水解和产酸细菌的数量，提高了参与水解和产酸的关键酶的活性，并抑制了产甲烷菌的活性

CRediT作者贡献声明

Peiyao Song：研究、数据管理。Linqing Qiu：监督、资源支持。Liang Zuo：研究、数据管理。Yongsheng Chen：监督、资源支持。Lei Miao：写作 – 审稿与编辑。Wei Li：监督、资源支持。Yongkang Dai：监督、资源支持。Xiaowei Zhang：监督、资源支持。Sifeng Jian：监督、资源支持。Gang Guo：写作 – 审稿与编辑。Jinbao Xu：写作 – 初稿撰写、数据分析、数据管理。Xiaonan Feng：写作 – 审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中南市政工程设计研究院有限公司的财务支持。研究工作在华中科技大学环境科学与工程学院的环境研究设施公共服务平台上进行。此外，我们还感谢华中科技大学分析测试中心的支持。