利用纳米Fe?O?改性的生物炭和红泥开发生物膜反应器：增强对硝酸盐、镉和对乙酰氨基酚的协同去除效果

《Environmental Research》：Development of a biofilm reactor using nano Fe 3O 4-modified biochar and red mud: enhanced synergistic removal of nitrate, cadmium, and acetaminophen

本研究构建了以纳米Fe3O4改性生物炭-红泥为载体的生物膜反应器，有效去除低C/N比污水中的硝酸盐（97.04%）、镉及乙酰氨基酚，机制包括EPS吸附和生物铁沉淀，并维持了微生物群落稳定性。

　　

李天梦|李雪|苏俊峰|刘书宇|白一涵|李轩

西安建筑科技大学环境与市政工程学院，中国西安710055

摘要

较低的C/N比和多种污染物往往限制了污水处理厂（WWTPs）对二次出水的处理效果。本研究建立了一个生物膜反应器，基于亚铁驱动的反硝化作用实现硝酸盐（NO₃^-）的去除。该生物反应器由纳米Fe₃O₄改性的生物炭和红泥（nano-Fe₃O₄@BC-RM）组成，并引入了Zoogloea sp. ZP7菌株。当HRT =6小时、C/N=1.5、pH =7时，硝酸盐去除效率（NRE）达到97.04%；即使在存在镉（Cd²⁺）和对乙酰氨基酚（ACT）的情况下，去除效率仍保持在80%以上。此外，Cd²⁺和对乙酰氨基酚的去除主要通过细胞外聚合物物质（EPS）的吸附和生物铁沉淀作用实现。生物群落中具有反硝化和铁循环功能的微生物的大量存在，保证了生物反应器的稳定运行。本研究为低C/N比废水的处理提供了宝贵的经验，并为固体废物处理提供了一种创新解决方案。

引言

污水处理厂（WWTPs）接收并处理来自生活、医疗和工业来源的废水（Xiao等人，2024年）。废水类型的多样性导致WWTPs中含有多种污染物，包括重金属、有机物和氮，这使得二次出水变得复杂。其中，硝酸盐（NO₃^-）是氮的主要形式，大量硝酸盐排放到自然环境中会加剧水体的富营养化（Li等人，2025年）。镉（Cd²⁺）是工业废水中的典型有害重金属，长期接触Cd²⁺会导致严重的肺部和肝脏损伤（Zeng等人，2024年）。作为强效解热镇痛药，对乙酰氨基酚（ACT）在COVID-19之后经常在WWTPs中被检测到（Zhang等人，2024年）。尽管这些污染物的含量通常很低，但它们对人类健康构成了显著威胁，因此也引起了广泛关注。

生物处理是WWTPs中普遍采用的废水处理方法（Márquez等人，2022年）。目前，中国的WWTPs普遍面临原水中C/N比不足的问题（Tian等人，2025年）。然而，过量补充有机碳会增加运营成本，并导致残留有机碳引起的二次污染（Shen等人，2022年）。最近的研究表明，某些无机物质（Mn²⁺、S⁰和Fe²⁺）可以有效作为电子供体来解决碳源不足的问题（Gao等人，2021年）。其中，铁是生物系统中最重要的元素和最丰富的过渡金属（Chen等人，2024年）。利用铁作为无机电子供体已被证明可以增强微生物的代谢活性，从而保证微生物群落的稳定性（Fan等人，2023年）。

在各种生物处理技术中，生物膜生物反应器在连续运行和维持工艺稳定性方面具有明显优势（Aktan等人，2025年）。生物载体在生物膜形成中起着关键作用，能够实现高生物量保留和稳定的污染物去除效率（Jang等人，2023年）。咖啡渣（SCG）和红泥（RM）分别是咖啡生产和铝工业产生的丰富副产品（He等人，2025年；Yan等人，2025年）。合理利用这些废弃物可以显著减轻其对环境的影响。因此，将它们作为生物膜载体是一种有前景的替代方案。生物炭（BC）作为一种生物相容性材料，在废水生物处理技术领域引起了越来越多的关注（Shi等人，2023年）。已有研究表明，BC可以促进电子转移，从而增强细胞内代谢活性。值得注意的是，铁表面改性能够进一步提升BC的电化学性质并提供活性位点（Yao等人，2023年）。因此，在本研究中，首先从SCG制备生物炭，然后用纳米Fe₃O₄进行改性，最后与红泥混合制备生物载体（nano-Fe₃O₄@BC-RM）。

基于上述背景，本研究构建了一个生物膜反应器，并接种了使用nano-Fe₃O₄@BC-RM作为生物载体的铁氧化细菌。主要研究目标包括：（1）探索生物反应器的最佳运行条件；（2）研究在最佳条件下单一或复合污染物压力下的污染物去除机制；（3）比较不同阶段的微生物群落组成和代谢基因的差异。

部分内容

菌株和合成废水

Zoogloea sp. ZP7菌株是在之前的研究中分离出来的（Zhang等人，2024年），这是一种能够利用Fe²⁺作为电子供体的异养反硝化菌株。合成废水使用未经消毒的市政自来水制备，其成分见表S1。

生物膜载体的制备

红泥（RM）购自中国云南省玉溪市。咖啡渣（SCG）购自西安的一家当地咖啡店，用去离子水冲洗后，在60°C的烤箱中干燥24小时。

改性前后生物炭的表征

通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）评估了生物炭的电化学行为。如图2a所示，改性前后生物炭均显示出氧化还原峰。这种现象可以归因于生物炭本身的氧化还原性质（Shi等人，2023年）。然而，改性后的生物炭表现出更强的氧化还原峰和更高的电化学活性（Xu等人，2024年）。根据现有证据可以推断出

结论

本文使用由SCG和RM合成的生物载体构建了用于处理废水的生物膜反应器。这种改性促进了生物膜的形成，从而增强了电子转移。整个运行过程中，生物反应器保持了稳定且高效的污染物去除能力。FTIR、XRD和XPS揭示了部分污染物去除机制，如-OH的吸附和沉淀物的形成，Fe³⁺/Fe²⁺价态的变化也表明了这一点

CRediT作者贡献声明

李雪：监督、软件编写。 李天梦：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验研究。 刘书宇：数据可视化、实验研究。 苏俊峰：方法论设计、概念构建。 李轩：数据管理。 白一涵：数据可视化、实验研究

未引用参考文献

Liu等人，2023年；Tian等人，2025年；Tian等人，2020年；Wang等人，2025年；Wang等人，2025年；Yan等人，2025年；Zeng等人，2024年；Zhang等人，2024年；Zhang等人，2024年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（NSFC：编号52270167和52400013）、陕西省重点科技创新团队（2023-CX-TD-32）和陕西省杰出青年科学基金项目（编号2025JC-JCQN-019）的支持。作者还感谢西安建筑科技大学仪器分析中心的Fang Song和Xinwei Zhang提供的帮助。