《Environmental Research》：Synergistic enhancement of real coal chemical wastewater treatment by aerobic granular sludge, iron–carbon microelectrolysis, and co-substrate regulation
编辑推荐：
•整合IC-ME与辅基质调控的AGS工艺用于真实煤化工废水的处理。•IC-ME预处理煤化工废水，辅基质添加支撑AGS代谢。•运行调控重塑了群落演替与功能基因谱。•颗粒稳定性与C23O主导的活性伴随芳香族化合物的转化。引言煤化工废水（CCW）源自煤气化、煤焦化和煤干馏，具有高排
- •
整合IC-ME与辅基质调控的AGS工艺用于真实煤化工废水的处理。
- •
IC-ME预处理煤化工废水，辅基质添加支撑AGS代谢。
- •
运行调控重塑了群落演替与功能基因谱。
- •
颗粒稳定性与C23O主导的活性伴随芳香族化合物的转化。
引言
煤化工废水（CCW）源自煤气化、煤焦化和煤干馏，具有高排放量、成分复杂以及多种有毒难降解有机污染物等特征（Ma et al., 2024）。由于成本效益和环境相容性，活性污泥（AS）被广泛用于煤化工废水处理（Ma et al., 2024; Zhou et al., 2022）。例如，将活性污泥与活性炭联用处理煤化工废水，化学需氧量（COD）和氨氮（NH4+–N）的去除率稳定维持在90%和70%（Li et al., 2024）。同样，向活性污泥系统中接种富集的功能菌株可增强煤化工废水处理过程中的COD和NH4+–N去除效果（Ma et al., 2019a）。然而，煤化工废水成分复杂、毒性高且可生物降解性各异，抑制了微生物群落，导致难降解有机物去除不彻底且传统活性污泥工艺运行不稳定（Xing et al., 2026; Zhu et al., 2018）。
好氧颗粒污泥（AGS）作为传统活性污泥的先进替代方案，具有结构紧凑、沉降性能优越、微生物多样性高以及对高负荷和毒性冲击的强耐受性（Liu et al., 2023b; Zeng et al., 2025）。AGS在处理各类工业废水方面已展现出稳健性能。例如，在纺织废水处理过程中，AGS维持了稳定的污泥结构，COD和NH4+-N去除率分别达到77.0%和95.0%（Pan et al., 2024b）。同样，在造纸废水处理中，AGS的COD和NH4+–N去除率分别达到95.0%和62.0%（Vashi et al., 2019）。尽管AGS在工业废水处理中取得了成功，但直接将其应用于真实煤化工废水仍面临挑战。一个关键难点在于煤化工废水中的有毒化合物会干扰微生物代谢。这种抑制作用可能延迟或阻止颗粒化形成，并破坏已建立的颗粒结构，从而降低处理效果（Franca et al., 2018; Wilén et al., 2018）。
在难降解废水的生物处理中，辅基质是伴随难降解污染物投加的易生物降解有机物，可提供生物可利用碳源、作为电子供体、维持微生物活性并支持共代谢转化（Wang et al., 2026c; Yang et al., 2024）。例如，添加乙醇或乙酸钠可增强半焦废水中难降解溶解性有机物的去除，COD去除率超过80%（Cai et al., 2023）。关于煤焦化和煤化工废水的研究表明，碳源调控影响酚类化合物的转化、氮去除和微生物响应（Shi et al., 2023; Yang et al., 2024）。近期的一项综述也将微生物代谢、抗逆性和系统调控确定为煤化工废水处理过程中芳香族化合物生物降解的核心要素（Tang et al., 2026）。使用合成或简化废水的研究通常在受控底物条件下考察特定污染物。相比之下，真实煤化工废水可生物降解性各异，含有共存的酚类、多环芳烃（PAHs）、苯、甲苯、乙苯和二甲苯（BTEX）、含氮杂环化合物（NHCs）及其他抑制性成分。因此，必须同时解决难降解性、毒性和碳源可用性问题（Ma et al., 2024; Wang et al., 2026b; Yang et al., 2024）。
辅基质效应可能因碳源类型和投加量而异，而仅靠代谢支撑可能不足以克服真实煤化工废水中的底物难降解性和抑制性胁迫。因此，物理化学预处理可以通过缓解抑制、改善底物生物可利用性和维持颗粒稳定性来补充代谢支撑。铁碳微电解（IC-ME）通过铁和碳之间形成的微原电池发挥作用。由此产生的氧化还原反应可以促进难降解有机物的转化、缓解抑制并改善可生物降解性（Ma et al., 2019b）。近期研究进一步表明，铁碳通过微电解作用促进了难降解废水处理并增强了AGS活性（Pan et al., 2024a）。然而，在真实煤化工废水处理中，IC-ME预处理与辅基质支撑的代谢在颗粒微环境中的综合作用仍未得到充分阐明。
因此，本研究运行了两个平行的序批式反应器（SBR），分三个阶段比较了四种运行条件下的真实煤化工废水处理效果。在第一阶段，两个反应器均采用AGS工艺，但仅R2接收含乙酸钠和丙酸钠作为易生物降解碳源和电子供体、葡萄糖作为同化碳源、碳酸氢钠用于碱度缓冲的辅基质混合物。有机组分的目的是支撑AGS内的微生物代谢和共代谢转化。在第二阶段，两个反应器均引入IC-ME，而仅R2保留辅基质添加以提供代谢支撑。在第三阶段，保留第二阶段的运行条件，同时增加煤化工废水负荷并将R2中的辅基质投加量按比例减少，形成综合性能挑战。本研究综合分析了污染物去除、颗粒稳定性、胞外聚合物（EPS）特性、酶活性、微生物群落结构和宏基因组谱，以阐明增强处理效果和稳定性的机制。研究结果为改善AGS处理煤化工废水提供了理论依据。
摘要片段
反应器运行
本研究使用了两个相同的SBR反应器（高1000 mm，内径60 mm，H/D = 16.7，有效容积2.54 L）。进水从底部泵入，出水通过位于底部上方500 mm处的电磁阀控制的出水口排出，实现50%的容积交换率。曝气通过底部砂芯曝气器进行，使用转子流量计将空气流量维持在约1 L/min。两个反应器均在室温下运行，周期为12 h，包括
有机物去除效率
图1a–b展示了两个反应器在煤化工废水处理过程中的COD和TOC去除性能。在第一阶段，两个系统的有机物去除率均稳步提高。到第30天，R1和R2的COD去除率分别为55.7%和76.5%。相应的TOC去除率分别为28.3%和66.9%。R2较高的去除率与在适应真实煤化工废水初期阶段辅基质添加所提供的代谢支撑有关（Xia et al.,
结论
本研究通过IC-ME介导的物理化学预处理与辅基质支撑的代谢的协同效应，实现了AGS处理真实煤化工废水性能的协同增强。IC-ME预处理有助于缓解抑制性压力并促进难降解组分的生物转化，而辅基质调控则支撑了颗粒微环境中的微生物代谢和共代谢转化。颗粒的协同响应
CRediT作者贡献声明
王敬文：验证、方法论、调查研究、数据整理。刘哲：写作—审阅与编辑、监督、资源、方法论、调查研究、经费获取。张宇航：写作—原始草稿、监督、软件、方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念化。李昂：监督。王家轩：监督。刘永军：监督、方法论。杨若朔：写作—审阅与编辑、可视化、方法论。陈蓉：
生成式AI与AI辅助技术在写作过程中的声明
在本研究准备过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）进行语言翻译并改进手稿的可读性和语言表达。使用此工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版内容承担全部责任。
利益冲突声明
? 作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢以下机构的资金支持：国家自然科学基金（52570051, 52170051, 51808432 和 51808442），陕西省自然科学基金基础研究计划（2023-YBSF-301 和 2024JC-YBMS-432），陕西省青年科技新星项目（2021KJXX- 106 和 2023KJXX-134），陕西省科学技术协会青年人才基金（20200421 和 20230456），青年创新团队资助
张宇航|刘哲|王敬文|杨若朔|刘永军|王家轩|李昂|杨壮壮|雷杰|杜莹|陈蓉
