基于生物矿化驱动的厌氧膜生物反应器同步碳磷回收与膜污染控制技术研究

本研究针对养猪废水(SW)高磷污染与资源化难题，创新性地提出生物矿化驱动铁磷晶体(FePs)代谢策略。研究人员通过调控Fe3+还原和关键磷代谢基因(ppk、phoA、phnP)表达，实现甲烷产量提升45%(0.29±0.02 L CH4/g COD)和总磷(TP)去除率96.8±1.7%，同时利用蓝铁矿(vivianite)的流体冲刷作用缓解膜污染，为废水处理资源化提供了创新范式。

　　

养猪废水处理正面临环境治理与资源回收的双重挑战。这类废水不仅含有高达620 mg/L的总磷(TP)，还富含2000-30000 mg/L的化学需氧量(COD)，传统处理工艺难以实现污染物高效去除与磷资源回收的平衡。更棘手的是，厌氧膜生物反应器(AnMBR)在处理过程中普遍存在的膜污染问题，严重制约着系统运行效率。面对磷矿资源枯竭的全球危机（预测显示40-60%磷储量或于2100年前耗尽），开发兼顾污染物去除、能源回收与膜污染控制的集成技术成为当务之急。

厦门大学的研究团队在《Water Research》发表的研究中，创新性地将生物矿化机制引入厌氧膜生物反应器系统。通过精确调控铁磷代谢网络，不仅实现了养猪废水的高效处理，更同步完成了碳磷资源回收与膜污染控制的三重目标。研究证实该系统可使甲烷产量显著提升至0.29±0.02 L CH₄/g COD，同时总磷去除率高达96.8±1.7%，出水磷浓度降至1.5±1.0 mg/L。

研究采用长期连续流实验结合批次试验，通过添加梯度浓度FeCl₃·6H₂O（0-600 mg Fe³⁺/L）调控生物矿化过程。利用宏基因组分析揭示微生物代谢机制，结合X射线衍射(XRD)鉴定矿物组分，并通过膜通量监测评估污染控制效果。实验所用养猪废水取自泉州某养猪场，接种污泥来自厦门餐厨垃圾厌氧消化系统。

长期运行条件与批次实验设计
研究构建了两组平行平板式PVDF膜组件（0.22 μm孔径）的AnMBR系统，在HRT 3天、SRT 270天、OLR 0.90 g COD/L/day条件下持续运行95天。通过分阶段添加Fe³⁺，系统实现了从传统厌氧消化向生物矿化驱动模式的转变。

可调控生物矿化促进甲烷生产与磷回收
实验数据显示，最佳Fe³⁺投加量（300 mg/L）下，COD去除率稳定在86.6±3.5%。宏基因组分析发现Clostridiaceae菌科主导Fe³⁺还原过程，同时ppk、phoA、phnP等磷代谢基因的上调促进PO₄^3-释放，与Fe²⁺形成蓝铁矿(Fe₃(PO₄)₂·8H₂O)。这种矿化过程通过降低游离PO₄^3-浓度，反向调控Ugp基因表达，促使微生物转向sn-甘油3磷酸等替代磷源。

结论与意义
该研究开创性地构建了生物矿化驱动的碳磷同步回收-膜污染控制耦合体系。蓝铁矿的形成不仅固定了废水中的磷资源，其微晶体还通过流体冲刷作用降解膜表面胞外聚合物(EPS)，结合富集的Peptostreptococcaceae和Anaerolineaceae古菌的降解作用，使膜污染得到显著控制。这一技术突破将传统废水处理提升为资源回收系统，为高浓度有机废水处理提供了兼具环境效益与经济价值的新型解决方案，对实现磷资源可持续利用具有重要战略意义。