作为双功能介质的磁性生物炭：用于低场磁分离绿矾并减轻厌氧膜生物反应器中的膜污染

《Bioresource Technology》：Magnetic biochar as dual-functional mediator for low-field magnetic separation of vivianite and membrane fouling mitigation in anaerobic membrane bioreactors

　　

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  MBC通过将TB-EPS降低22%，有效减少了AnMBR膜的污染。
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  在MBC-AnMBR系统中，较高的IAP和SI浓度会促使绿矾石初步结晶。
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  MBC可实现低场磁分离，使磷的回收率达到98%。
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  MBC能够同时提升膜的性能与磷的回收效率。

引言

厌氧膜生物反应器作为一种用于废水处理及同步实现碳能回收的先进技术已逐渐受到重视（Xu等人，2026年）。与传统的好氧处理工艺相比，AnMBR具有诸多优势，比如更能承受有机负荷的波动、产生的剩余污泥较少，还能生成富含甲烷的生物气作为可再生能源（De Vela，2021年）。不过，其实际应用仍面临两大难题。首先，膜污染问题不可避免，会导致运营成本上升、处理效率下降以及膜的使用寿命缩短（Cheng等人，2020年）。其次，磷是一种重要但不可再生的营养物质，而在目前的AnMBR系统中，其回收效率仍然较低（Liu等人，2024年）。大量磷要么随污水排出，要么残留在污泥中，这既造成了资源浪费，也可能对接收水体造成富营养化风险（Pap等人，2023年）。因此，需要采用综合策略来同时控制膜污染并提高磷的回收率。

虽然目前已有多种成熟的废水除磷技术，包括化学沉淀法、生物处理法、膜分离法和吸附法（Zheng等人，2022年），但由于AnMBR系统要求严格处于厌氧环境，那些更为经济且环保的生物除磷工艺难以在其中得到应用。由于缺乏吸收磷所需的后续好氧阶段，那些能够积累磷的微生物无法被有效富集，进而无法实现过量的磷吸收与细胞内储存。结果就是，磷大多随污水或污泥一起被排出，导致除磷效率较低（Zhang等人，2023年）。例如，Du等人报告称，在一个20升的AnMBR系统中，经过70天的稳定运行后，其除磷效率仅为16%（Du等人，2022年）。绿矾石（Fe₃(PO₄)₂·8H₂O）的结晶因具有高纯度、可作为缓释肥料以及适应广泛pH值等优点，被视为从厌氧系统中回收磷的一种环保方法（Liang等人，2025年；Wang等人，2018年）。然而，在传统的AnMBR系统中，绿矾石很难自发结晶，因为生成的微晶通常会被包裹在污泥絮体中，无法形成可分离的大颗粒，从而影响了其回收效率，降低了磷的回收率（Liu等人，2025a年）。

利用功能材料调控结晶过程，成为提升绿矾石回收效率的一种颇具前景的策略。生物炭是一种源自生物质热解的富含碳的多孔材料，其表面含有大量的功能基团和活性位点（Liu等人，2015年；Yang等人，2020年）。这些特性使得生物炭能够吸附Fe²⁺和PO₄^3?，同时也有助于绿矾石晶体的成核与生长（Liang等人，2025年）。不过，天然的生物炭不具备磁性，这限制了其与污泥的有效分离，也阻碍了绿矾石晶体的后续回收。而通过磁性改性，可以在保留生物炭优异的吸附和催化性能的同时，赋予其磁性（Chang等人，2025年）。磁性生物炭通常含有Fe₃O₄等磁性颗粒，兼具生物炭与磁性材料的优点（Chen等人，2024年；Wang等人，2021年）。正因如此，MBC在提升AnMBR性能方面展现出巨大潜力。先前的研究已经表明，MBC能够增强微生物的活性（Chen等人，2024年；Liu等人，2025b年），还能通过改变污泥的性质来减少膜污染（Chen等人，2020年），此外还能为矿物结晶提供铁元素来源（Wu等人，2023年）。不过，MBC在AnMBR系统中的作用机制目前仍不十分清楚，尤其是在减轻膜污染、控制碳和磷污染、促进绿矾石结晶以及实现高效磁分离等方面的作用机制，都尚未得到系统的阐明。

本研究旨在探讨MBC在提升AnMBR性能方面的多重功能作用。具体研究目标包括：（1）评估MBC对减轻膜污染的作用，并阐明与污染层结构及污泥胞外聚合物相关的机制；（2）研究MBC在提升碳和磷去除与回收效率方面的作用，重点关注有机碳的转化以及磷的固定；（3）从热力学和动力学角度分析MBC对绿矾石结晶的调控作用；（4）验证通过MBC辅助的磁分离来实现高效绿矾石回收的可行性。期望本研究的结果能为优化AnMBR系统及其在废水处理和资源回收领域的工程应用提供理论依据和技术指导。

章节要点

AnMBR的构建与运行

该AnMBR系统由一个厌氧反应器和一个外部膜组件构成（Dong等人，2026年）。反应器由有机玻璃制成，有效工作容积为2升，通过在恒温水浴中维持25℃的温度来运行。这些反应器持续运行了105天，污水从反应器底部进入，处理后的出水则从顶部排出。运行过程中产生的生物气则用气体收集袋进行收集。该膜组件配备了

MBC可减轻AnMBR中的膜污染

根据反应器运行期间发生的四次膜清洗事件，可以确定存在四个连续的膜污染阶段。在MBC-AnMBR系统中，这四个阶段的平均膜污染速率分别为1.28、1.22、1.10和1.07千帕/天。这些数值明显低于对照组的污染速率，后者的污染速率分别为1.74、1.54、1.38和1.11千帕/天（见图1a）。总体而言，这些结果表明MBC能够持续

结论

本研究证明，MBC是一种具有双重功能的介质，能够同时解决限制AnMBR实际应用的两个主要问题：膜污染以及通过绿矾石结晶实现的低效磷回收。一方面，MBC通过将TB-EPS降低22%并调节EPS的组成（PN/PS比例），有效减轻了膜污染，使得膜污染速率下降了26%-39%，同时形成的污染层也更为松散，黏附性更低

CRediT作者贡献说明

Feng-Ai Yang：论文初稿撰写。Ying Dong：数据整理。Jifei Chang：图表制作。Rong Chen：资金筹集。Xin Wang：项目管理。Juncheng Liu：论文审阅与修改。Fernanda Leite Lobo：论文审阅与修改。Devard I. Stom： 。Nan Li：论文审阅与修改、研究指导、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（项目编号：52470050和52325002）。

Feng-Ai Yang|Ying Dong|Jifei Chang|Rong Chen|Xin Wang|Juncheng Liu|Fernanda Leite Lobo|Devard I. Stom|Nan Li