铁镁改性生物炭增强微生物氮去除效果：效率与机制研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Microbial nitrogen removal enhanced by iron-magnesium modified biochar: Efficiency and mechanisms

铁镁双金属改性生物炭耦合好氧活性污泥显著提升喹啉及总氮去除效率至78.91%和85.25%，促进胞外聚合物分泌及污泥颗粒聚集，宏基因组分析显示放线菌门丰度及氮代谢基因上调，证实其通过增强微生物代谢与电子转移实现高效难降解有机物降解。

　　

陈青云|张景杰|张亚权|庄海峰|梁新强

浙江省科学技术大学环境与自然资源学院，浙江省废物生物质回收与生态处理重点实验室，杭州，310023，中国

摘要

双金属改性的生物炭已被证明可以增强工业废水中有机污染物的生物降解能力。在本研究中，将铁镁改性的生物炭（KBC@Fe/Mg）与好氧活性污泥结合使用，以提高氮的去除效率。该耦合系统将喹啉和总氮（TN）的平均去除效率分别从44.84%和50.60%提高到了78.91%和85.25%。生物炭的添加显著增加了细胞外聚合物物质（EPS）的分泌，蛋白质和多糖的含量分别增加了3.5倍和2.0倍，PN/PS比值达到了2.11。此外，污泥的平均粒径从40.87 μm增大到101.74μm，同时混合液悬浮固体（MLSS）和混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）的浓度也有所增加，表明微生物的聚集作用增强，稳定性得到改善。宏基因组分析显示放线菌门的丰度增加，与代谢相关的基因整体上调，表明系统中的微生物活性和氮转化能力得到提升。这些结果表明，KBC@Fe/Mg增强了微生物的代谢活性，并促进了种间电子转移，从而实现了高效的喹啉去除，为处理富含氮的难降解废水提供了一种潜在策略。

引言

含氮杂环化合物常见于制药制造、农药合成、焦炭生产和钢铁冶炼等工业废水中（Jiang等人，2018年）。由于这些化合物具有芳香共轭结构和氮杂原子，它们表现出很强的化学稳定性，且难以生物降解。一旦释放到水环境中，它们会对水生生态系统、植物生长和人类健康构成严重威胁，具有潜在的致癌、致畸和致突变作用（Tan等人，2023年）。喹啉是一种典型的含氮杂环化合物，据报道在煤气化废水中占总有机污染物的25%以上（Tian等人，2023年）。因此，从废水中高效去除喹啉已成为废水处理领域的一个紧迫挑战。

已经开发了多种策略来处理含喹啉的废水。虽然物理化学方法如吸附、高级氧化和超声辅助工艺可以达到显著的去除效率，但它们通常操作成本高、试剂回收复杂且能耗较大（Tian等人，2024年；Wu等人，2024年）。相比之下，生物处理提供了一种更可持续和经济的替代方案。厌氧生物降解虽然节能，但常常会导致中间产物的积累，限制了完全矿化。好氧生物降解操作简单且成本效益高，但通常需要持续曝气，从而导致能耗增加（Luo等人，2020年）。因此，开发一种在好氧条件下高效降解喹啉的优化策略仍然是一个关键且具有挑战性的目标。

近年来，由于生物炭具有发达的孔隙结构、较大的比表面积和多样的表面官能团，其在废水处理中得到了广泛应用（Liu等人，2020年）。作为微生物载体和电子介质，生物炭可以增强微生物活性并促进有机污染物的降解（Bolan等人，2023年）。为了进一步提高其性能，通常会对其进行金属改性，这可以增加表面反应性，促进电子转移，并提供额外的氮去除活性位点（Trivedi等人，2025年）。然而，单一金属改性的生物炭往往功能多样性有限，长期稳定性较差（Zhu等人，2025年）。例如，铁改性的生物炭容易发生颗粒团聚和表面氧化，降低其耐久性（Xing等人，2023年）。相比之下，双金属改性显著增强了吸附能力、氧化还原活性和微生物相容性，提供了更好的整体性能（Bao等人，2021年）。选择Fe/Mg作为双金属改性剂是因为Fe³⁺?和Mg2?之间的协同作用，可以增强电子转移，稳定活性位点，并改善整体的催化和吸附性能（Ahmed等人，2023年；Nabi等人，2025年）。然而，传统的浸渍技术严重依赖外部化学试剂，这些试剂成本高昂且存在环境风险（Zhang等人，2024年）。从富铁生物质（如水葫芦）中制备的生物炭提供了一种更经济、更环保的替代方案，它既具有吸附功能也具有催化功能，同时降低了改性成本（Zhang等人，2016年）。与传统铁盐浸渍方法相比，这种方法不需要额外的化学铁盐，并在热解后形成更稳定的嵌入铁结构，从而减少了二次污染和活性位点的损失（Lian等人，2023年）。尽管有这些优势，双金属生物炭促进微生物氮去除的协同机制仍有待探索。因此，需要进一步研究以阐明其在高氮工业废水中表现背后的微生物相互作用和氮转化途径。

本研究考察了生物炭增强喹啉生物降解的性能，并讨论了活性污泥物理化学性质的相关变化。此外，还分析了微生物群落结构，并利用宏基因组学见解阐明了高氮废水降解过程中涉及的氮转化途径。这些发现为开发使用生物炭辅助的生物过程来处理难降解的含氮杂环工业废水提供了理论指导和机制基础。

部分摘录

KBC@Fe/Mg的制备

从浙江省杭州的一个池塘中收集了水葫芦植物。根部分别用去离子水彻底清洗并风干，然后切成小块，在80°C下烘烤15小时。干燥后的材料被研磨成细粉，并在氮气氛下于500°C下在管式炉中热解2小时（加热速率：10°C·min^-1）。所得材料用去离子水冲洗后，在80°C下干燥，得到水葫芦生物炭（BC）。

BC和MgCl₂

KBC@Fe/Mg的特性分析

对KBC@Fe/Mg进行了形态、组成、官能团、价态、晶体结构、比表面积和磁性的表征，相应的结果和分析如下所示。

如图S2a所示，KBC@Fe/Mg的表面呈现出高度皱褶和多孔的特性，其特征是均匀大小和规则形状的球形结构。观察到的表面结构可能是由于在热解过程中挥发性成分被去除所致

结论

本研究证明，将KBC@Fe/Mg引入好氧活性污泥系统显著增强了含氮废水中的污染物去除率和微生物活性。与R0相比，R2的COD、喹啉、TN和NH₄⁺-N的去除效率分别从69.62%、44.84%、50.60%和68.04%提高到了85.22%、78.91%、85.25%和88.56%。KBC@Fe/Mg的添加还促进了EPS的分泌，蛋白质和多糖的含量

CRediT作者贡献声明

陈青云：撰写——原始草稿，研究，数据管理，概念化。张亚权：撰写——原始草稿，验证，概念化。张景杰：方法学，概念化。梁新强：撰写——原始草稿，资金获取，概念化。庄海峰：撰写——原始草稿，研究，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的个人利益关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了浙江省“先锋”和“领头鹅”研发计划（2025C02097；2024C03120；2024C03245）的支持。