一种多功能铁基生物炭，可用于在处理啤酒厂废水的厌氧膜生物反应器中同时促进甲烷生成并减少膜污染

《Bioresource Technology》：Multifunctional Fe-biochar for simultaneously enhancing methanogenesis and mitigating membrane fouling in anaerobic membrane bioreactor treating brewery wastewater

　　

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  Fe-BC的碱度和氧化还原活性有助于促进电子转移。
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  与C-AnMBR相比，FeBC-AnMBR使甲烷产量提升了39%。
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  在FeBC-AnMBR中，Methanosarcina的数量增加了4%。
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  在FeBC-AnMBR中，15种关键的产甲烷酶基因表达量上升。
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  与C-AnMBR相比，FeBC-AnMBR使膜的使用寿命延长了31%。

引言

每生产1升啤酒就会产生3–10升的啤酒废水，这类废水中含有高浓度的可生物降解有机物（COD：2,000–20,000毫克/升），包括糖类、淀粉、乙醇和挥发性脂肪酸，而有毒物质含量则很低（He等人，2022年）。目前的处理技术包括好氧处理、厌氧处理以及物理化学处理方法（Soliman等人，2024年）。其中，厌氧处理能够在降解有机物的同时产生沼气，更符合“双碳”目标下的资源回收理念（Deng等人，2025年；Jiao等人，2026年）。啤酒废水具有可生物降解有机物浓度高、温度和pH值适宜、营养物质丰富且不存在有毒或抑制性物质等特性，因此非常适合用于厌氧生物处理。

厌氧膜生物反应器能够通过高效的膜过滤作用，将COD的去除率提升到80–99%，同时使甲烷产量达到109.5–545毫升/克COD，并且还能有效保留生物质（Schneider等人，2021年）。不过，厌氧膜生物反应器的长期运行仍然面临酸抑制问题（Gao等人，2024年）以及严重的膜污染问题（Wang等人，2023年）。诸如挥发性脂肪酸之类的中间代谢物的积累容易引发系统酸化，进而抑制甲烷的产生（Zhao等人，2022年）。与此同时，废水中的有机物质容易堵塞膜孔，形成积垢层，导致膜通量下降（Wang等人，2020b年），从而增加运营成本。因此，在高有机负荷条件下保持较高的产甲烷活性，同时减轻膜污染，仍然是一个亟待解决的难题。

近年来，人们开始研究添加导电材料（如生物炭、活性炭、含铁材料）来解决这些问题（Zhou等人，2025年）。其中，生物炭因其成本低、原料易得、比表面积大、结构多孔，以及能够为功能性微生物提供生存环境而备受关注（Mazhar abbas等人，2026年）。有研究表明，在添加了导电材料的反应器中，pH值可保持在6.5左右，而在对照反应器中则下降到了4.0（Al Hasani等人，2022年）。此外，还有研究显示，通过热解含铁生物质得到的磁性生物炭具有较高的电导率，能够有效提升厌氧消化过程中的甲烷产量（Zhang等人，2023年）。总体而言，这些研究都表明磁性生物炭对厌氧消化系统的性能有着重要影响；不过，含铁生物炭究竟是通过如何调节物种间的电子传递和代谢途径来提升甲烷产量的，其内在机制还有待进一步阐明。另外，现有证据也表明，在厌氧膜生物反应器中就地添加磁性生物炭能够有效减轻膜污染（Wang等人，2023年）。然而，含铁生物炭究竟是如何同时促进甲烷生成并减轻膜污染的，其具体机制仍不清楚。

本研究旨在系统探讨木屑衍生的含铁生物炭对处理啤酒废水的厌氧膜生物反应器性能的影响，并阐明其背后的作用机制。具体的研究目标如下：（1）分析含铁生物炭的物理化学性质；（2）评估在厌氧膜生物反应器中添加含铁生物炭对其运行性能的影响；（3）全面阐明含铁生物炭提升甲烷产量的机制，包括对碱度的调控、对底物降解的促进、对电子传递的增强以及對功能性微生物的富集作用；（4）根据膜污染的特征，明确含铁生物炭减轻膜污染的机制。期望本研究能为在处理啤酒废水的厌氧膜生物反应器中应用含铁生物炭提供新的理论和技术依据。

章节摘要

含铁生物炭的制备与表征

含铁生物炭是通过之前报道过的共沉淀法制备的（Al Hasani等人，2022年；Liu等人，2026年，详见补充材料）。使用扫描电子显微镜（SEM，日本日立S-4700型）观察了原始生物炭和含铁生物炭的表面形态。通过自动比表面积和孔隙度分析仪（Micromeritics公司TriStar II 3020型），在77开尔文条件下利用氮气物理吸附法测定了它们的比表面积和孔结构。

含铁生物炭的物理化学性质

通过SEM、XPS、FTIR、BET以及EDC/EAC分析对含铁生物炭进行了表征，相应的结果和数据详见补充材料。SEM图像（放大100微米）显示，原始生物炭表面粗糙且不规则，而含铁生物炭表面则光滑均匀，这表明在热解过程中铁元素已经均匀地掺入到生物炭中，而且颗粒团聚现象也得到了有效控制（Wang等人，2023年）。XPS谱图清晰地显示出了碳、氧和铁的存在。

结论

本研究系统证明了，在用于处理啤酒废水的厌氧膜生物反应器中添加含铁生物炭，不仅可以作为高效的导电介质，还可以作为微生物的固定载体，从而实现污染物去除和能量回收的双重提升效果。无论是含铁生物炭厌氧膜生物反应器还是普通厌氧膜生物反应器，都能表现出稳定且高效的COD去除能力，而含铁生物炭则显著提升了甲烷产量，增幅在17.0%-39.0%之间，同时还有效减少了挥发性脂肪酸的积累，使得

CRediT作者贡献说明

李雪：撰写——初稿、方法部分、实验研究、数据整理。宋孜：撰写——初稿、方法部分、实验研究、正式分析、数据整理。王亚宁：撰写——审阅与编辑、方法部分。杜青：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法部分。王倩：撰写——审阅与编辑、项目管理、概念设计。王志文：撰写——审阅与编辑、验证工作、方法部分。李国金：撰写——审阅与编辑，

伦理声明

作者声明，本研究未涉及人类或动物实验。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了天津市科学技术局（编号：25JCZDJC00240）以及国家自然科学基金委员会（编号：52500090和52400054）的支持。

Xue Li|Zi Song|Yanning Wang|Qing Du|Qian Wang|Zhiwen Wang|Guojin Li|Wenshan Guo|Huu Hao Ngo|Xinbo Zhang