镁改性污泥基磁性生物炭对制药废水的处理效率：吸附、生物降解及增效机制

《Journal of Water Process Engineering》：Treatment efficiency of magnesium-modified magnetic sludge-based biochar in pharmaceutical wastewater: Adsorption, biodegradation, and enhancement mechanisms

　　

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  Mg@MSBC 是通过一步热解由市政污泥、农作物秸秆和含铁污泥制备而成的。
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  Mg@MSBC 在 pH 3–10 的广泛范围内实现了四环素（TC）的稳定吸附（>80%）。
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  Mg@MSBC 提升了制药废水的处理性能，并富集了功能微生物。
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  Mg@MSBC 实现了吸附和污泥生物增强双重功能。

引言

制药废水是造成环境中抗生素污染的主要点源之一。世卫组织（WHO）和联合国环境规划署（UNEP）的联合调查显示，制药生产过程中的大量高浓度抗生素被排放到环境中，而对该污染源的监管仍然十分有限 [1]。市政污水处理厂也是工业制药废水与周围水环境之间的关键枢纽。由于传统处理工艺对大多数抗生素的去除能力有限，微量抗生素残留在排放液中，导致大量新污染物持续排入地表水 [2], [3]。鉴于制药废水所带来的严峻环境挑战，众多国家现已将抗生素及其活性残留物纳入新污染物的优先控制清单 [4]。

现有的废水处理技术，包括吸附技术 [5] 和高级氧化工艺 [6]，仍不足以完全消除制药废水中的抗生素 [7]。在现有技术中，吸附通常被视为一种可靠的解决方案，因其操作简便、处理效率高且运行成本较低 [8]。然而，在制药废水处理中的应用中，吸附法也存在一些局限性，包括吸附剂再生的成本以及废吸附剂的最终处置问题 [9], [10]。与此同时，尽管高级氧化工艺能够高效降解抗生素类化合物，但该技术存在固有缺陷，如能耗过高和可能产生有害副产物 [11]。

在制药废水的多种生物处理方案中，活性污泥法是目前应用最为广泛的。该方法运行成本低，与现有设施的兼容性好，能够通过微生物群落有效去除常规有机污染物 [12]。然而，该方法对四环素类抗生素的去除率普遍较低，主要依赖污泥吸附而非实际降解；四环素长期暴露会抑制硝化细菌等关键功能菌的代谢活性 [13]。尽管添加生物炭或单金属改性碳可以通过吸附和增强生物降解来促进抗生素的快速去除，但现有的生物炭或单金属改性策略仍面临挑战，单金属改性生物炭的活性位点相对有限，且协同吸附和电子转移能力不足 [14], [15]，以及在实际废水中催化效率低、吸附选择性差和稳定性不足等问题 [16]。现有研究表明，双金属改性策略通过金属离子间的互补协同效应，在活性位点多样性、氧化还原循环效率、pH 适应性和材料循环稳定性方面优于单金属改性体系，有望结合高效抗生素吸附和微生物代谢增强的双重功能 [17], [18], [19]。

在双金属改性生物炭研究领域，磁性改性是一种尤为引人注目的策略，凭借其优异的吸附性能和磁分离回收的可行性，当负载 Fe₃O₄ 或 γ-Fe₂O₃ 时，磁性活性炭不仅表现出优良的磁响应特性，还能通过表面络合、静电吸附和 π–π 相互作用等多种机制提高污染物去除效率 [20], [21]。镁-铁双金属载体不仅赋予生物炭丰富的表面官能团和充足的活性位点，还能富集和筛选能够降解制药废水中抗生素的微生物群落。此外，双金属改性生物炭可以作为微生物的庇护所，通过调控胞外聚合物的分泌和吸附重金属来改变微环境，从而重塑微生物群落结构 [22], [23]。在各种生物炭原料中，来源于污水净化过程中产生的固体废弃物的市政污泥具有来源广泛、有机质含量高、生物质占比高和生物炭产率高等特点，非常适合作为生物炭生产的原料 [24]。利用污泥生产生物炭不仅能减少污泥填埋和焚烧带来的二次污染，还能实现资源回收，是一种经济有效的技术途径 [25]。

因此，本研究旨在合成一种由镁改性的 Fe₃O₄ 磁性颗粒和污泥基生物炭组成的新型磁性复合吸附剂，对该新型磁性复合吸附剂进行理化表征，并探究 Mg@MSBC 对污泥微生物群落结构、污泥沉降性能和污染物去除效率的影响，旨在为磁性污泥生物炭在抗生素污染控制和污泥生物增强领域的协同应用提供理论依据。

章节摘要

镁改性磁性污泥碳（Mg@MSBC）的制备

炭化前驱体通过干燥、研磨、混合，在弱酸至中性条件下进行厌氧发酵，随后清洗、干燥和筛分，由市政剩余污泥和秸秆制备而成。磁性载体通过磁分离、球磨、清洗和干燥从含铁污泥中获得。前驱体在碱性条件下与氯化镁溶液混合，所得固体与磁性载体混合后

吸附动力学

吸附过程本质上取决于接触时间。图 1a 展示了 Mg@MSBC 在固定温度（298 K）下 TC 去除率的随时间变化，时间跨度为 480 分钟。在最初的 20 分钟区间内，充足的吸附位点推动吸附能力显著上升，呈现出快速吸附阶段的特征。到 20 分钟时，Mg@MSBC 对 TC 的平衡吸附量分别达到 98.42%、88.48% 和 79.59%

结论

本研究以市政污泥、农林秸秆和含铁污泥为原料，成功合成了镁改性磁性污泥基碳（Mg@MSBC），该材料具有优异的磁响应性能。在吸附剂用量为 0.1 g·L^?1 时，实验观测到的最高吸附容量为 78.83 mg·g^?1，在 pH 3–10 范围内保持了相对稳定的吸附性能。同时，本研究重点考察了

CRediT 作者贡献声明

童浩：论文撰写——初稿、调查研究、概念构思。李鹏：方法学、数据管理。李佳琪：项目管理、形式分析。张亚全：调查研究。庄海峰：论文撰写——初稿、资金获取、概念构思。王敏：资金获取、数据管理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了宁波市科技计划项目（2025S106）和浙江省"尖兵"和"领雁"研发攻关计划项目（2025C02097）的支持。

童浩|李鹏|李佳琪|张亚全|庄海峰|王敏