《Renewable Energy》：Iron-Polyphenol Modified Anodes for Enhanced Methane Production and Energy Recovery in Microbial Electrolysis Cell-Assisted Anaerobic Digestion of Waste Activated Sludge
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张光义|刘冰茹|魏杰鹏|李国辉|赵子生|赵志强|张耀斌郑州大学水利与交通学院，中国郑州科学路100号，450001摘要本研究提出了一种新型的铁-多酚改性碳毡阳极，用于微生物电解池辅助的厌氧消化（MEC-AD）过程，旨在提高污泥活性污泥（WAS）的厌氧消化效率。实验结果表明，铁-多
张光义|刘冰茹|魏杰鹏|李国辉|赵子生|赵志强|张耀斌
郑州大学水利与交通学院，中国郑州科学路100号，450001
摘要
本研究提出了一种新型的铁-多酚改性碳毡阳极，用于微生物电解池辅助的厌氧消化（MEC-AD）过程，旨在提高污泥活性污泥（WAS）的厌氧消化效率。实验结果表明，铁-多酚改性的MEC-AD系统产甲烷量最高（113.7 mL/g VS），库仑效率也最高（18.8%），其次是Fe3O4改性的MEC-AD（102.5 mL/g VS，13.4%），传统MEC-AD系统的产甲烷量和库仑效率分别为95.8 mL/g VS和8.1%。电化学分析显示，铁-多酚改性MEC-AD系统的电荷转移电阻显著降低（Rct = 5.7 Ω），电子储存能力也得到提升。通过京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析发现，铁-多酚改性阳极显著上调了参与水解、产酸及产氢甲烷的关键酶相关基因的表达（包括fwd和mcr基因），表明这些通路的代谢活性可能得到增强。本研究为克服传统WAS厌氧消化处理的局限性提供了可持续的解决方案，有助于提高资源回收率和能源利用效率。
引言
随着城市化进程的加快和污水处理能力的持续增长，污泥活性污泥（WAS）的产量逐年增加[1]。据统计，全球每年产生的污泥量已超过19亿吨[2]。如果处理不当，WAS可能通过重金属、病原体和有机污染物造成二次污染，对土壤、水体和公共健康构成严重威胁[3]。厌氧消化（AD）作为一种核心的可持续WAS处理技术，兼具能源回收和污染控制的双重优势[4]。然而，目前对AD技术的机理理解仍存在挑战，如有机物转化效率较低（通常低于50%）以及甲烷产量不稳定，需要通过预处理优化、微生物群落调控或工艺耦合等方式来提升效率[5]。
现有的处理策略，包括物理化学预处理（如热水解、超声波处理）、共消化（如调整C/N比）和生物强化（如外源微生物接种）等，都存在明显局限性[6]。预处理过程消耗系统总能量的30–50%，影响经济可行性；共消化需要精确的原料比例，导致运行稳定性较差；而外源微生物在复杂的WAS环境中存活率较低（<10%）[7]。因此，迫切需要开发新的技术来同时增强水解效果、稳定代谢过程并避免二次污染。
将微生物电解池（MEC）与AD结合是一种创新解决方案。先前的研究表明，富集有电活性细菌（如Geobacter）的MEC阳极能够氧化WAS中的难降解物质，显著提高水解和酸化效率，而阴极则有助于将CO2还原为甲烷，从而提高甲烷产量[8]。然而，传统的碳基电极（如石墨毡、碳布）虽然成本较低，但表面积有限且生物相容性差，导致电活性微生物附着密度低和电荷转移电阻高，严重限制了MEC在AD中的性能[9]。最新研究表明，氧化铁改性的电极可以有效提升MEC-AD的效率。其潜在机制是氧化铁的引入通过异化铁还原作用促进了Fe(III)还原微生物的富集[10]。不过，传统氧化铁在异化铁还原过程中容易发生钝化，从而阻塞活性位点，最终限制电子传递[11]。相比之下，铁-多酚复合材料（由茶多酚和Fe3+合成）具有丰富的表面官能团（如酚羟基和醌基），这些官能团可作为电子传递载体，加速细胞外电子转移[12]。另有研究指出，这些复合材料还能与Fe2+形成螯合物，有效防止氧化铁钝化并保持催化活性[13]。因此，与传统材料相比，铁-多酚复合材料在提升MEC-AD在厌氧消化中的性能方面具有更大潜力。
目前尚未有关于铁-多酚改性生物阳极用于提升污泥活性污泥厌氧消化效果的报道。与传统氧化铁改性方法相比，铁-多酚复合材料既具有基于铁的氧化还原活性，又具有多酚衍生的表面官能团，从而在细胞外电子传递和钝化抑制方面具有额外优势。因此，本研究旨在制备铁-多酚改性碳毡阳极，并系统评估其在处理污泥活性污泥的MEC-AD过程中的产甲烷量、有机物降解效率、电化学行为、微生物群落结构及功能基因表达等方面的影响。
章节摘录
底物与接种物
本实验使用的污泥来自中国郑州的马头岗污水处理厂的二次沉淀池。实验前，污泥在4°C下冷藏保存以保持其生化稳定性。实验所用的接种物来自中国郑州马头岗污泥处理设施中连续运行的厌氧消化池。实验前，接种物经过了厌氧适应处理
电极性能
图1展示了改性前后碳毡的SEM图像。结果表明，Fe3O4和铁-多酚成功附着在碳毡表面。Fe3O4改性阳极具有颗粒状结构，但观察到局部聚集现象，这可能是由于其高表面能所致。相比之下，多酚的引入使表面变得更加粗糙和多孔，从而提高了...
结论
本研究证明了GT-CF在提升污泥活性污泥厌氧消化方面的巨大潜力。与CF和Fe-CF相比，GT-CF系统产甲烷量最高（113.7 mL/g VS），有机物降解效率最高（37.3%），Wnet值也最高（33.0 kJ）。其潜在机制是铁-多酚对碳毡的改性引入了氧化还原活性官能团，这些官能团作为电子传递载体，促进了电活性细菌之间的细胞外电子传递
CRediT作者贡献声明
张耀斌：概念构思、方法设计。李国辉：数据整理、实验研究。赵子生：数据整理、概念构思、初稿撰写。赵志强：撰写、审稿与编辑。张光义：概念构思、方法设计、初稿撰写、审稿与编辑。刘冰茹：实验研究、数据整理。魏杰鹏：数据整理、实验研究
? 作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52200109）的支持。
