污泥无机成分通过有机-无机相互作用抑制厌氧消化产甲烷的机制解析

针对高无机含量污泥厌氧消化效率低的问题，研究人员系统探究了SiO2、Fe2O3等无机物与有机质的氢键、配体交换等相互作用机制，发现其导致甲烷产量下降42.1%±1.5%，揭示了电子传递受阻等关键抑制途径，为提升污泥资源化效率提供理论依据。

　　

论文解读

在城市化进程加速的今天，污水处理厂产生的污泥处理成为环境治理的棘手难题。这些黑臭黏稠的混合物中，约30%干重由蛋白质、多糖等胞外聚合物(EPS)构成，其余则充斥着石英、赤铁矿等无机矿物。有趣的是，中国污水厂的污泥无机含量显著高于国际水平——MLVSS/MLSS比值仅0.3-0.5，这意味着大量"砂石"般的存在可能正在悄悄破坏污泥变废为宝的关键过程：厌氧消化产甲烷。

西安交通大学的研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究，首次系统揭示了无机矿物如何通过分子层面的"锁链"束缚有机质，使微生物"看得见却吃不着"。研究采用热重分析、红外光谱等技术，对比分析了污泥原生无机物、针铁矿(goethite)和蛭石(vermiculite)三种矿物对有机质的吸附特性，并通过批次厌氧消化实验验证其生物可利用性变化。

主要技术方法
研究选用市政污泥(VSS 18.55±0.97 g/L)经550℃煅烧获取原生无机物，与蛭石、针铁矿分别进行有机质吸附实验。通过改性Gompertz模型拟合产甲烷动力学，结合FTIR、XPS等表征手段解析结合机制。

研究结果
污泥基本性质与无机矿物表征
煅烧后的无机物主要含SiO₂(16.28%)、Fe₂O₃(5.15%)等组分，比表面积分析显示蛭石具有典型层状结构，而针铁矿呈现多孔特性。

有机-无机相互作用对厌氧消化的影响
矿物吸附使累计甲烷产量降低42.1%±1.5%，产率下降54.6%±5.7%。FTIR证实存在Ca²⁺桥接(-COO^-...Ca²⁺...-矿物)和配体交换(有机羧基取代矿物表面羟基)两种主导机制，<10 nm的微孔吸附使酶无法接触有机质。

结论与意义
研究首次阐明污泥无机物通过双重途径抑制甲烷生成：物理层面，微孔截留和小粒径有机质吸附形成"分子监狱"；化学层面，Ca²⁺桥接等强作用力需额外能量打破。这一发现解释了热水解后固相消化效率低的现象——高温反而强化了有机-无机结合。该研究为开发矿物解吸附预处理工艺（如螯合剂洗脱Ca²⁺）提供了精准靶点，对提升中国高无机含量污泥的能源回收率具有重要指导价值。