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研究系统评估了充氧和厌氧消化预处理对污泥生物浸出性能的影响，发现充氧预处理可加速酸化（pH 2.08，6天达最佳酸化效果），显著提升铜、锌、铅等重金属去除效率，同时减少磷流失。比较直接、充氧、厌氧三种生物浸出工艺，充氧浸出法表现最优，其脱水性能（SRF 1.24×1013 m/kg）与EPS组分重组密切相关。微生物分析表明生物浸出显著改变群落结构，富集Acinethiobacillus和Alicyclobacillus等关键菌属。该成果为优化污泥生物浸出工艺提供了理论支撑。
王晓春|李军|史泽淼|周向通|李善伟|张晓蕾
江苏省大学应急管理学院环境与安全工程学院，镇江国家重点实验室，镇江，212013，中国
摘要
为了克服有机物对污泥生物浸出的抑制作用，本研究系统评估了两种预处理方法（曝气和厌氧消化）对后续生物浸出性能的影响。结果表明，曝气预处理显著加速了酸化过程，提高了整体重金属（HMs）的去除效率，并有效减少了磷的损失。在选择了曝气预处理后，比较了三种生物浸出工艺（直接浸出、曝气浸出和厌氧浸出）。曝气浸出实现了最快的酸化（6天内pH降至2.08），并最优地去除了Cu2+、Zn2+和Pb2+。微生物群落分析显示，生物浸出工艺极大地改变了群落的丰度和多样性，特别是富集了如Acinethiobacillus和Alicyclobacillus等关键生物浸出菌属。这种演变与重金属去除的选择性密切相关。所有生物浸出工艺均有效减少了污泥体积（MLSS减少了26.99% - 63.21%），并提高了脱水性能。曝气浸出的脱水效果最佳（特定过滤阻力SRF为1.24 × 1013 m/kg），这归因于其诱导的胞外聚合物物质（EPS）的重组——表现为紧密结合的EPS中蛋白质富集和松散结合的EPS中多糖的剥离。本研究为优化污泥生物浸出参数和预处理工艺组合提供了关键的理论见解，以最大化重金属去除率同时最小化营养损失。
引言
污泥活性污泥（WAS）作为市政和工业废水处理的主要副产品，其全球产量持续上升，带来了严峻的环境挑战。美国、中国和日本是全球最大的WAS年产量国（Bisht等人，2022年；Danish和Ozbakkaloglu，2022年）。WAS富含有机物和致病细菌，通常会积累多种有毒重金属（HMs），如铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）、铬（Cr）、锰（Mn）和铅（Pb）（Mao等人，2023年）。这些重金属主要以稳定的化学形式存在，例如与有机配体（如腐殖酸）形成复合物，包裹在胞外聚合物物质（EPS）基质中，或以硫化物/碳酸盐的形式沉淀（Yang等人，2024年；Yu等人，2025年）。这种形态使它们对传统的物理化学提取方法具有很高的抗性。未经处理的污泥进行填埋或农业利用会导致重金属迁移到环境中，并在食物链中积累，从而对生态安全和人类健康构成双重威胁，同时违背了循环经济的原则（Duan和Feng，2022年；Vardanyan和Vyrides，2019年）。因此，开发高效且经济的重金属去除技术对于确保污泥的安全处置和资源化利用至关重要。
尽管传统的化学浸出方法（如使用强酸或螯合剂）有效，但它们存在缺点，包括高运营成本、大量化学品消耗、二次污染风险以及污泥中有价值的有机营养物质的降解（Bayat和Sari，2010年；Lee和Pandey，2012年）。相比之下，生物浸出技术利用嗜酸微生物（如Thiobacillus ferrooxidans（Tf）和Thiobacillus thiooxidans（Tt）的生物酸化（产酸）和氧化还原反应，为污泥中的重金属去除提供了一种可持续的方法（Marchenko等人，2018年）。该过程主要依赖于嗜酸化能细菌的铁/硫氧化途径（Chen和Lin，2015年；Pathak等人，2019年）。最新研究表明，细菌联合体比单一菌株系统具有更高的浸出效率。例如，Tf和Tt的混合培养比单一菌株的锌去除率高出20-30%（Wang等人，2006年）。该技术具有能耗低、环境友好性和良好的选择性等优点（Giwa等人，2025年）。然而，污泥中丰富的有机化合物对其实际应用构成了关键瓶颈：一方面，这些有机物消耗了微生物产生的酸，缓冲了系统的pH值，阻碍其降至高效去除重金属所需的高酸性范围（通常pH < 3.0）（Gu和Wong，2004年）；另一方面，它们为异养微生物提供了竞争优势，抑制了化能自养浸出细菌的生长和活性（Tavakoli等人，2021年），同时物理上阻碍了对重金属的接触。
为了克服有机物对生物浸出的抑制作用，预处理被广泛认为是提高工艺效率的关键步骤（Wu等人，2018年）。物理（如超声波、微波）（Wang等人，2021年）、化学（如碱/酸水解、芬顿氧化）（Yesil等人，2021年）或生物（如酶解）（Li等人，2018年）预处理方法旨在破坏有机结构，释放结合的重金属，并减轻其对金属浸出细菌的竞争性抑制。其中，生物预处理方法如曝气或厌氧消化因其温和的条件、较低的成本和有机物降解能力而受到关注（Altinkaya等人，2018年）。然而，不同的生物预处理方法如何改变污泥的物理化学性质（如pH缓冲能力、有机物质含量和组成）和微生物群落结构，以及如何影响关键浸出菌的富集、酸化动力学、重金属去除效率和后续生物浸出过程中的营养保留——目前仍知之甚少。系统性的研究和明确的优化指导尚缺乏。
为了解决生物浸出中的有机物抑制问题，本研究调查了两种生物预处理方法——曝气（有氧）和厌氧消化——对后续污泥生物浸出性能的影响。通过系统分析pH动态、多种重金属（HMs：Cu、Zn、Ni、Cr、Mn、Pb）的去除动力学、关键营养物质（N、P）的浸出行为以及微生物群落结构（通过16S rDNA测序），本研究旨在：（1）明确曝气与厌氧预处理对生物浸出启动效率和重金属去除的差异性影响；（2）揭示不同生物浸出工艺（直接浸出、曝气浸出、厌氧浸出）对重金属去除的选择性和效率；（3）阐明预处理期间微生物群落演替与后续生物浸出性能之间的内在联系，并评估不同工艺组合对污泥减少和脱水性能的影响。研究结果为优化生物浸出参数和选择高效的预处理-生物浸出组合提供了理论基础和技术支持，以最大化重金属去除率同时最小化营养损失。
部分摘录
污泥特性与预处理
本研究中使用的污泥来自中国深圳某市政污水处理厂的污泥储存设施。收到后，首先通过静置4小时进行重力浓缩。然后通过2毫米筛网进行均质处理。采样后一天内分析了关键物理化学性质和其他污泥参数。
预处理方法对生物浸出的影响
不同预处理方法（曝气、厌氧）和对照组在生物浸出过程中的pH变化如图S1和文本S1所示。
结论
本研究首先评估了两种预处理方法（厌氧预处理和曝气预处理）对后续生物浸出性能的影响。厌氧预处理促进了特定金属（如Cr3+、Mn2+和Ni2+）的溶解，但延缓了系统pH值的下降。相比之下，曝气预处理在提高生物浸出效率和保持营养元素方面表现出显著优势。进一步比较三种生物浸出工艺发现
CRediT作者贡献声明
王晓春：撰写——审稿与编辑、方法学、数据分析、数据整理。李军：撰写——初稿。史泽淼：软件处理。周向通：验证、监督。李善伟：可视化、数据分析。张晓蕾：监督、软件处理、概念构思。
资助
本研究得到了江苏省自然科学基金青年项目（项目编号：BK20230552）、常州市基础与应用研究计划（项目编号：CJ20241069、CJ20241068）、深圳市科技创新委员会（项目编号：GJHZ20220913143007014）以及镇江药物疗效与健康风险评估重点实验室（项目编号：SS2024006）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢深圳水处理技术与材料协同创新中心在研究期间提供的支持。
