微波与零价铁协同预处理优化提升废活性污泥厌氧消化效率的机制研究

本研究针对废活性污泥(WAS)厌氧消化(AD)效率低的问题，通过中心复合设计优化微波温度(TMW)与零价铁(ZVI)剂量协同预处理条件。结果表明：最佳组合(TMW=164°C，[ZVI]=4.8 g/L)使挥发性固体(VS)去除率提升70.9%，甲烷产率增加60%，并显著降低H2S(82.4%)和磷酸盐(53.5%)。该研究为污泥资源化提供了高效低碳技术方案。

　　

随着全球污水处理厂每年产生约1.3亿吨废活性污泥(WAS)，其高效处理成为环境领域重大挑战。传统厌氧消化(AD)面临木质纤维素难降解、甲烷(CH₄)产率低等瓶颈，而现有预处理技术存在能耗高或二次污染风险。韩国研究人员在《Bioresource Technology》发表的研究，创新性地将微波(MW)热效应与零价铁(ZVI)的化学催化作用相结合，通过响应面法优化参数，实现了污泥AD过程的突破性增效。

研究采用中心复合设计实验，结合生化甲烷潜能(BMP)测试和微生物群落分析。主要技术包括：1)不同T_MW(100-200°C)和[ZVI](1-5 g/L)组合预处理；2)VS/TS比值、SCOD/TCOD溶解率等物化指标检测；3)气相色谱测定CH₄和H₂S产量；4)16S rRNA测序解析微生物群落演变。

Pretreatment effects on waste activated sludge
通过数学模型确定最佳协同条件：T_MW=168°C和[ZVI]=5 g/L时，SCOD/TCOD提升7倍(方程5)，木质素断裂导致VS/TS降低21.5%(方程4)。ZVI的还原作用使PO₄-P去除率达53.5%，显著高于单独MW处理。

Biochemical methane potential analysis
BMP实验验证最优参数为T_MW=164°C和[ZVI]=4.8 g/L，此时最大甲烷产率提升61-108%，一级动力学模型显示水解常数k提高1.8倍。气相分析发现H₂S浓度从1,872降至329 ppm，证实ZVI的硫固定作用。

Microbial community shifts
16S rRNA分析揭示：预处理组醋酸裂解甲烷菌(Methanosaeta)相对丰度从28%增至53%，而氢营养型甲烷菌(Methanobacterium)从19%降至6%。ZVI促进直接种间电子传递(DIET)，改变了传统AD的代谢路径。

该研究首次系统论证MW-ZVI协同预处理通过三重机制提升AD效率：1)微波热效应破坏细胞壁和木质素结构；2)ZVI促进电子转移并固定硫/磷；3)微生物群落向高效甲烷生成途径转变。技术经济分析显示，该方案可使污泥处理能耗降低40%，为市政污泥资源化提供了兼具环境效益和工程可行性的解决方案。研究结果对实现"双碳"目标下的废弃物能源化具有重要指导价值。