可回收MOF基导电材料激活过硫酸钠强化污泥厌氧发酵中碳/磷高效回收新策略

针对污泥厌氧发酵(AF)中水解效率低、磷(P)释放不足等难题，研究人员开发了可回收复合材料FeM@CS协同过硫酸钠(PS)体系。该体系通过激活PS产生·SO4 ? 、·OH等活性氧物种(ROS)，使污泥溶解性化学需氧量(SCOD)提升706.54%，挥发性脂肪酸(VFAs)产量增加280.90%，并实现近100%的P吸附回收。研究揭示了FeM@CS通过调控电子(e ? )/质子(H + )转移通路促进功能菌代谢的机制，为污泥资源化提供了创新解决方案。

　　

在全球面临资源短缺与环境压力的背景下，如何从废弃物中回收高附加值资源成为研究热点。污泥作为污水处理厂的副产品，富含有机质和磷(P)元素，通过厌氧发酵(AF)可转化为挥发性脂肪酸(VFAs)等化学品，但传统AF存在水解效率低、P释放率不足等瓶颈问题。更棘手的是，污泥中复杂的微生物群落常因电子(e
^?
)和质子(H
⁺
)传递不畅导致代谢受阻，而现有导电材料又面临回收困难、环境风险等挑战。

针对这一系列难题，中国研究人员创新性地将锆基金属有机框架(MOF)与四氧化三铁(Fe₃
O₄
)复合，制备出可回收的FeM@CS颗粒，并与过硫酸钠(PS)联用构建强化AF体系。研究发现，该体系不仅能高效激活PS产生自由基，还能通过独特的导电网络重塑微生物代谢途径，相关成果发表在《Resources, Conservation and Recycling》上。

关键技术方法
研究采用北京某污水厂的脱水污泥为原料，通过扫描电镜(SEM)和电化学测试表征FeM@CS的形貌与导电性；利用电子顺磁共振(EPR)检测PS激活产生的活性氧物种(ROS)；结合16S rRNA测序分析功能菌群结构；采用高效液相色谱(HPLC)和钼酸铵分光光度法分别量化VFAs产量和P回收率。

研究结果

Characterization of FeM@CS
SEM显示FeM@CS呈479.50 μm的球形颗粒，表面褶皱结构利于细菌附着。内部FeM保持稳定晶体结构，X射线光电子能谱(XPS)证实Fe-Zr双活性中心的存在。电化学测试表明其具有优异的e
^?
/H
⁺
传导能力，阻抗值比纯CS降低86.7%。

PS激活与污泥溶解机制
EPR检测到·SO₄
^?
、·OH和¹
O₂
信号，证实FeM@CS通过界面Fe²⁺
/Fe³⁺
循环和Zr节点活化PS。该过程使污泥SCOD提升7倍，溶解性蛋白质和多糖浓度分别增加4.8倍和5.2倍，显著打破细胞壁结构屏障。

微生物代谢调控
16S rRNA分析显示FeM@CS表面富集厚壁菌门(Firmicutes)等水解酸化菌，其相对丰度达对照组的3.2倍。代谢组学揭示NAD⁺
/NADH和ATP合成增强，关键酶(如磷酸激酶)活性提升210%-340%，推动VFAs产量增至280.9%。

磷吸附与材料回收
FeM@CS通过Zr-O-P配位和静电作用吸附P，7g材料即可实现近100%回收。经5次循环后，P吸附率仍保持92%以上，磁分离回收率达95.3%，解决了纳米材料环境泄漏风险。

结论与意义
该研究开创性地将MOF材料工程与AF过程耦合，通过FeM@CS/PS体系同步实现碳磷资源回收。其科学价值在于阐明了导电材料调控e
^?
/H
⁺
分流促进微生物代谢的机制，技术突破体现在开发出兼具ROS激活、P吸附和易回收特性的复合材料。相比传统AD工艺，该策略使VFAs产率提升2.8倍且抑制甲烷生成，为污泥处理提供了"减量化-资源化-无害化"的全链条解决方案，对推动循环经济发展具有重要实践意义。