铁改性生物炭在厌氧氨氧化（Anammox）工艺中增强氮去除效果的机制：以稀土矿氨氮废水为例

制备铁改性甘蔗渣生物炭提升稀土尾ings废水厌氧氨氧化效率，通过70天恢复期验证其显著提高氨氮去除率21.64%，促进未分类Brocadia科微生物丰度从5.84%增至16.85%，揭示铁-硝化细菌可逆还原循环增强电子传递网络，缓解环境抑制效应。

　　

邓向义|黄胜南|张振月|吴汉军|柴立奇|马向|王安富

武汉工业大学资源与安全工程学院，中国武汉430073

摘要

厌氧氨氧化（anammox）由于其独特的优势，成为处理稀土矿（REO）尾矿中氨盐渗滤液的潜在解决方案。然而，在不同的环境条件下，anammox介导的氮去除性能会显著波动。因此，提高anammox工艺对稀土矿废水的处理耐受性至关重要。在本研究中，使用甘蔗渣制备了铁改性生物炭（FeBC），以探讨铁在微生物学中的关键作用及其对anammox系统的增强效果和机制。表征结果显示，铁以微纳米晶体颗粒的形式负载在甘蔗渣表面，FeBC的比表面积和孔隙率显著高于未改性的生物炭。经过70天的恢复期后，添加FeBC的效果最佳。与空白对照组相比，NH₄?-N的去除率提高了21.64%，EPS含量增加了71.5 mg/g VSS，氮去除功能菌属unclassified_f_Brocadiaceae的相对丰度从5.84%增加到16.85%。基于相关性分析，unclassified_f_Brocadiaceae与FeBC和PN含量表现出强相关性。微生物对FeBC释放的铁具有高度亲和力，形成了可逆的Fe-N氧化还原循环，优化了电子传递网络，减轻了不利环境对anammox系统的抑制作用。这些发现为高效处理稀土矿废水中的氨氮以及稳定和提升anammox工艺提供了新的见解。

引言

开采风化壳层浸出沉积的稀土矿需要大量的硫酸铵（(NH₄)₂SO₄作为浸出剂（Huang等人，2015年）。尽管大部分(SNH₄)₂SO₄被回收用于稀土矿的再利用，但仍有大量残留于矿场土壤环境中，并通过降雨引起的地表径流进入相邻的溪流和河流（Huang等人，2015年；Chi和Liu，2019年；Yan等人，2018年）。这一过程最终产生了酸性氨氮废水，其特征是氨氮和硝酸盐氮共存、有机碳含量极低以及pH值低。anammox在处理含氮废水方面具有独特优势。然而，anammox细菌生长缓慢、易丢失且环境适应性差，限制了其在稀土矿处理中的广泛应用（Deng等人，2024年；Xu等人，2020年）。因此，开发针对性的增强策略以提高anammox细菌的耐受性和系统运行稳定性对于克服该技术在稀土矿废水处理中的应用瓶颈至关重要。

目前的研究主要集中在向反应器中添加外源物质（如Fe和MnO₂）以刺激微生物代谢（Gao等人，2024年；Wang等人，2025年；Zhu等人，2025年）。方法包括使用固定化材料（例如海藻酸钠-沸石复合凝胶）或制备新型复合载体（Xu等人，2022年；Liu等人，2023年；Cheng等人，2022年）。尽管上述策略取得了积极成果，但仍存在许多挑战。例如，许多外源添加剂的长期效应尚不清楚，且其成本效益值得怀疑；过程控制的操作参数非常严格，使得在实际水质波动的情况下难以保持稳定的性能。因此，开发一种应用方便、成本低廉且高效稳定的载体材料至关重要。

生物炭因其发达的多孔结构和丰富的功能基团而在厌氧系统中得到广泛应用。添加生物炭可以有效减轻化学需氧量（COD）的影响，减少N₂O的排放，富集anammox细菌，并提高anammox的氮去除效率（Wang等人，2024年；Xie等人，2022年）。此外，表面富集的电子活性功能基团（如酚羟基和醌基团）使生物炭能够作为氧化还原活性材料，促进微生物的氮去除过程（Li等人，2021年；Wu等人，2019年；Gao等人，2025年）。尽管生物炭及其改性衍生物在增强anammox系统方面具有巨大潜力，但其物理化学性质仍高度依赖于热解温度和原材料，调控其目标性能的机制尚不清楚。

铁是anammox细菌细胞内的核心微量元素，作为关键酶（如铁蛋白和cyt c）的重要辅因子，直接参与功能细菌的呼吸代谢和氮转化过程（Sergi等人，2017年；Wan等人，2016年）。同时，适当的铁源可以促进anammox细菌中ferriheme c的合成，提高功能细菌的特定生长率和氮去除活性（Liu和Ni，2015年；Xu等人，2023年）。通过将适量的铁负载到生物炭表面制备铁改性生物炭复合载体，可以将生物炭的物理固定和吸附优势与铁的微量元素补充及电子传递能力结合起来，成为增强anammox系统的理想载体（Chen等人，2021年）。

甘蔗渣天然具有刚性的纤维结构，孔隙率高且比表面积大，使其比其他农业废弃物（如橙皮或稻壳）更适合作为生物炭原料（Mohd等人，2024年）。经过铁盐浸渍和高温热解改性后，甘蔗渣生物炭有效保持了其孔隙框架结构，防止了铁颗粒的聚集和孔隙堵塞（Abdelhafez和Li，2016年；Creamer等人，2014年）。此外，改性材料的pH值呈中性至弱碱性，有效减轻了稀土酸废水对anammox细菌活性的抑制作用（Song等人，2023年）。遗憾的是，大多数关于甘蔗渣铁改性生物炭的研究集中在其对工业废水中污染物的吸附能力上，而其作为稀土废水复合载体的应用尚未得到探索。

近年来，尽管已有研究证明了铁改性生物炭对anammox过程的协同增强效果，但在考虑稀土矿废水独特水质特性的背景下，载体制备过程的优化和系统增强机制的研究仍不够充分。本研究制备了一种使用废弃甘蔗渣的新型铁碳复合载体，并研究了生物炭、铁和anammox系统之间的相互作用。具体目的包括：（1）制备高性能生物炭材料并研究其对提高anammox微生物氮去除效率的影响；（2）通过测序技术揭示铁负载生物炭对anammox系统微生物群落演变的影响；（3）探讨铁负载生物炭在增强氮去除过程中的代谢途径和氮转化关系；（4）阐明铁改性生物炭在提高氮去除中的电子传递和机制作用，旨在为该领域的理论探索和实际应用提供新的见解。

生物炭的制备与表征

首先将清洗并粉碎的甘蔗渣生物质干燥至恒定重量。然后以10°C/min的速率加热至550°C，并保持1小时。取出后，用1 mol/L HCl洗涤三次，再用去离子水洗涤直至洗涤液pH稳定在6.5-7.0之间。最后在80°C的烤箱中干燥，得到未改性的生物炭（BC）。为了制备铁改性生物炭（FeBC），加入适量的FeCl₃·6H₂O

BC和FeBC的特性

两种生物炭材料的比表面积（SA）、总孔体积（TPV）和平均孔径（APR）列于表S2中（附加文件1）。改性生物炭与原始生物炭之间存在显著差异。BC的SA和TPV分别为90.91 m²/g和0.0683 cm³/g，而FeBC的相应值为431.65 m²/g和0.2269 cm³/g，分别增加了3.75倍和2.32倍。FeBC的APR为2.102 nm

结论

本研究将废弃物作物与anammox工艺相结合，提出了处理稀土矿氨盐渗滤液的新应用视角。铁改性的甘蔗渣生物炭显著改善了表面特性，为微生物提供了更好的附着位点，同时持续释放铁离子，为anammox细菌提供持续的铁营养。使用铁改性生物炭的anammox系统的氮去除性能明显优于

资助

本研究的所有资金支持来自国家自然科学基金（项目编号：92475206、52204280、52222405和92462303）。以及国家重点实验室矿物加工开放基金（项目编号：BGRIMM-KJSKL-2025-16）。

CRediT作者贡献声明

邓向义和黄胜南：构思和设计实验。黄胜南、柴立奇和马向：进行实验。邓向义和黄胜南：共同撰写论文。吴汉军和王安富：对结果和讨论提供了建设性建议。张振月：监督、提供资源并对手稿修订提出了建设性建议。所有作者均参与了讨论。

CRediT作者贡献声明

邓向义：写作 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、方法学、资金获取、数据管理、概念化。黄胜南：写作 – 原稿、可视化、验证、形式分析、数据管理。张振月：写作 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。吴汉军：验证、项目管理。柴立奇：验证。马向：可视化。王安富：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报告的工作。