污泥衍生生物炭促进热碱预处理废弃活性污泥厌氧消化产甲烷：性能与机制解析

为解决废弃活性污泥(WAS)厌氧消化(AD)过程中水解效率低、电子传递受限等问题，研究人员通过热碱预处理(TAP)结合不同热解温度(300/500/700℃)制备的污泥衍生生物炭(BC300/500/700)，探究其对甲烷(CH4)产量的提升机制。结果表明，BC500组CH4产量最高(423.8 mL/g VS)，较对照组提升35.4%，其兼具表面氧化还原官能团和石墨结构(电容0.31 mF/g，电导率3.1×10-4 S/m)，显著促进直接种间电子传递(DIET)并富集甲烷丝菌属(Methanosaeta)。该研究为污水处理厂"以废治废"策略提供了理论支撑。

　　

随着城市化进程加速，全球污水处理厂(WWTPS)每年产生超1亿吨废弃活性污泥(WAS)，其不当处置会引发环境风险，但富含的有机质(>60%)又是潜在的能源宝库。传统厌氧消化(AD)面临两大瓶颈：微生物细胞壁阻碍水解效率，种间氢传递(IHT)因热力学限制(H₂分压阈值仅10^-4-10^-5 atm)导致电子传递受阻。虽然热碱预处理(TAP)能破解细胞壁(本团队前期实验显示其使细胞崩解率达53.3%，甲烷产量提升135.8%)，但如何突破IHT限制仍是关键难题。

陕西省教育厅资助项目(20JK0528)与国家自然科学基金(22076113)支持下，研究人员创新性提出"以废治废"策略：利用污水厂脱水污泥制备生物炭，用于强化TAP预处理后的WAS-AD过程。通过系统比较300/500/700℃热解温度下生物炭(BC300/500/700)的理化特性及其对AD的影响，发现500℃制备的BC500使甲烷产量达423.8 mL/g VS，较对照组显著提升35.4%。

研究采用多尺度技术方法：通过电化学分析测定生物炭电容与电导率，结合高通量测序解析微生物群落，并同步监测挥发性脂肪酸(VFAs)积累与pH波动评估系统稳定性。关键样本为西安第五污水厂浓缩池WAS与脱水污泥(生物炭原料)。

生物炭特性与温度关联

孔隙率与比表面积随热解温度升高而增加，但BC500展现出最佳平衡：既保留丰富羧基/羟基(促进电子交换)，又形成石墨化结构(电导率3.1×10^-4 S/m)，其0.31 mF/g的电容远超BC300(0.12 mF/g)和BC700(0.25 mF/g)。

AD性能提升机制

BC500组VFAs降解速率最快，pH稳定在7.2-7.8。微生物分析揭示其显著富集甲烷丝菌属(Methanosaeta)(占比34.0% vs 对照组24.0%)，该菌能通过细胞色素c参与直接种间电子传递(DIET)，替代了传统IHT路径。

温度梯度效应

低温BC300依赖表面官能团传递电子，高温BC700主要靠导电网络，而中温BC500兼具双重优势，形成"氧化还原介体-导电桥梁"协同机制，使DIET效率最大化。

该研究首次阐明污泥衍生生物炭热解温度与AD性能的构效关系，证实500℃为最佳平衡点。其创新性在于：(1)揭示生物炭通过DIET重构微生物互作网络，突破IHT热力学限制；(2)提出污水厂内部"污泥→生物炭→AD强化"的闭环方案，相较石墨烯等昂贵材料更具工程可行性。成果为实现"双碳"目标下污泥能源化提供了关键技术路径，发表于《Biochemical Engineering Journal》。