热活化过一硫酸盐强化富铁污泥厌氧发酵中挥发性脂肪酸生成与磷释放机制研究

为解决富铁污泥中磷(P)释放效率低及挥发性脂肪酸(VFAs)产量不足的问题，北京某研究团队采用热活化过一硫酸盐(PMS)预处理技术，通过厌氧发酵(AF)实现总磷释放率达41.4%，VFAs产量提升24.3%。研究揭示了硫酸盐还原菌(SRB)和铁还原菌(IRB)驱动的磷迁移机制，为污泥资源化提供了新策略。

　　

研究背景与意义

全球磷矿资源面临50-100年内枯竭的危机，而污水处理厂产生的富铁污泥中磷含量高达1%-9%，成为潜在的磷回收宝库。然而，传统化学除磷工艺导致磷与铁、铝等金属紧密结合，常规预处理方法难以有效释放。与此同时，污泥厌氧发酵(AF)过程中挥发性脂肪酸(VFAs)的产量直接影响后续资源化效率。如何同步提升磷释放与VFAs生成，成为污泥资源化领域的关键难题。

北京某研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究中，创新性地将热活化过一硫酸盐(PMS)预处理与AF工艺结合，系统解析了磷释放的多重微生物机制。研究发现，PMS产生的硫酸根自由基(SO₄^•?)不仅能破解污泥絮体结构，更通过激活硫酸盐还原菌(SRB)和铁还原菌(IRB)的代谢网络，显著提升磷释放效率与VFAs产量。

关键技术方法

研究采用北京某污水处理厂的富铁污泥为对象，设置不同PMS剂量组（0-0.8 g/g TS）进行热活化预处理（80℃）。通过标准测量与测试(SMT)法分析磷形态变化，结合宏基因组测序解析微生物功能基因表达差异，同步监测VFAs产量与化学需氧量(COD)转化效率。

研究结果

1. 热-PMS预处理对可溶性有机物释放的影响
热活化PMS使上清液磷浓度从10.3±0.4 mg/L（对照组PMS-0）飙升至246.1±1.6 mg/L（PMS-0.8组），总磷释放率达41.4%。NH₄⁺-N浓度提升103.4%，证实预处理有效破解了污泥细胞结构与金属-磷复合物。

2. 磷形态演变与释放途径
SMT分析显示，PMS剂量增加使铁结合态磷(Fe-P)占比从32%降至18%，而可溶性正磷酸盐上升217%。宏基因组数据表明，聚磷菌(PAOs)的polyP水解基因表达受抑制，但硫酸盐还原通路基因（如dsrA、sat）表达量提升2.1倍，证实SRB驱动的FeS生成是磷释放的关键途径。

3. 微生物群落功能重塑
PMS-0.8组中，SRB（如Desulfovibrio）相对丰度增加3.8倍，IRB（如Geobacter）丰度提升2.5倍。功能基因分析显示，硫酸盐还原与铁还原相关基因表达量分别与磷释放量呈显著正相关（R²>0.89）。

结论与展望

该研究首次阐明热活化PMS预处理通过三重机制提升富铁污泥资源化效率：① SO₄^•?直接氧化破解EPS-磷复合物；② SRB代谢产生的硫化物与铁形成FeS，释放Fe-P；③ IRB介导的铁还原促进磷解吸附。实践层面，该技术使VFAs产量达2995.4±86.5 mg COD/L，为后续生物塑料合成提供了优质碳源。

这项研究为破解"富铁污泥磷回收难"的世界性难题提供了创新解决方案，其提出的"化学氧化-微生物代谢耦合"策略，对实现污水处理厂"磷-碳双回收"的闭环管理具有重要指导意义。未来研究可进一步优化PMS投加成本，并探索SRB/IRB协同调控的精细化控制方法。