生物炭介导的厌氧膜生物反应器优化：基于冲刷-生物协同效应的剂量依赖性膜污染控制与消化强化

为解决厌氧膜生物反应器(AnMBR)在餐厨垃圾处理中面临的膜污染严重、甲烷产率不足等问题，西安建筑科技大学团队通过多剂量生物炭(BC)添加实验(0-20 g/L)，结合计算流体力学(CFD)模拟和微生物组分析，发现10 g/L BC可提升甲烷产量5.7%、降低跨膜压力53.6%，并揭示其通过促进DIET(直接种间电子传递)和调控Chloroflexi/Methanosaeta菌群实现增效的机制。该研究为AnMBR工艺优化提供了剂量-效能平衡策略。

　　

餐厨垃圾处理正面临环境与经济双重挑战，传统厌氧消化工艺存在污泥流失、效率低下等问题。虽然厌氧膜生物反应器(AnMBR)凭借膜分离技术能实现>90%的污染物去除率，但膜污染导致的运行成本飙升和CO₂含量过高等瓶颈制约其应用。近年来，生物炭(BC)因其多孔结构和导电特性被寄予厚望，但关于其最佳投加剂量与多效应协同机制仍存在显著认知空白。

西安建筑科技大学团队在《Bioresource Technology》发表的研究中，通过100天连续运行实验，系统评估了5-20 g/L BC对AnMBR的调控作用。研究采用计算流体力学(CFD)模拟动态压力分布，结合高通量测序分析微生物群落演变，并监测甲烷产量、COD去除率和跨膜压力等关键指标。

Anaerobic membrane bioreactor performance
实验数据显示，10 g/L BC剂量使甲烷产率提升5.7%，COD去除率稳定在>98%，同时跨膜压力降低53.6%。CFD模拟揭示该剂量下动态压力峰值达0.43 kPa，形成最佳湍流强度，既能冲刷膜面污染物，又避免过量BC(≥15 g/L)引发的颗粒沉积。

Microbial analysis
16S rRNA测序发现BC特异性富集了Chloroflexi(45.9%)和Methanosaeta(69.7%)，其通过直接种间电子传递(DIET)途径强化乙酸裂解产甲烷过程。功能基因分析显示乙酰辅酶A合成酶基因表达上调2.1倍，证实BC促进了有机酸向甲烷的转化。

Conclusions
该研究确立了10 g/L为BC投加临界值，在此剂量下可实现：① 流体力学优化，通过增强湍流抑制胞外聚合物(EPS)粘附；② 微生物群落重构，促进DIET途径；③ 膜污染控制与经济性平衡。过量BC(15-20 g/L)反而会因颗粒沉积加剧膜污染，这一发现为工程应用提供了明确的剂量红线。

讨论部分指出，该研究首次将CFD流体动力学、微生物组学和工艺参数进行多尺度关联，揭示了BC剂量与AnMBR性能的非线性关系。提出的"冲刷-生物协同"模型不仅适用于餐厨垃圾处理，对高固体有机废水处理系统的设计也具有普适指导意义。研究成果为AnMBR的工业化应用提供了兼具科学性和经济性的优化方案。