青岛科技大学环境与安全工程学院–氧化石墨烯支持的零价铁复合材料介导的厌氧系统性能、共代谢菌群和电子转移

为了改进传统的厌氧处理工艺，零价铁(Fe⁰)和氧化石墨烯(GO)最近得到了应用和研究。然而，单独使用氧化石墨烯和Fe⁰存在缺点。本研究将Fe⁰/GO复合材料用于高强度废水的厌氧处理，以弥补其不足，并探讨其促进作用和机理。结果表明，Fe⁰/GO可提高COD 91.8%的去除率，511 mL/12 h产气量，并具有较好的污泥絮凝效果。通过改变pH和Fe⁰/GO氧化还原电位，优化了发酵方式，增加了乙酸产量，减少了丙酸积累。详细的微生物特性表明，Fe⁰/GO对水化产甲烷菌(Methanofastidiosum和Methanofastidiosales)有显著的影响，从1.79%增加到24.11%。在Fe⁰/GO系统中，水解发酵菌、产乙酸菌和产甲烷菌的分布更加平衡和多样化，表明维持了稳定的共代谢微生物群落。此外，最高的电子传递系统活性和Fe²⁺和Fe³⁺浓度表明，Fe⁰/GO可以促进细胞内和种间的电子传递。电导率、电流响应、循环伏安面积最大，内阻最小，表明Fe⁰/GO可以改善细胞外电子转移。稳定的共代谢微生物群落和高效的胞内/胞外电子转移促进了厌氧废水的处理。本研究可为厌氧废水处理开发技术的实际应用提供理论支持。

图1. (a) COD_cr去除率，(b)产气量，(c)一个循环中COD_cr值的变化，以及(d) COD_cr降解的一级动力学模型。

图2. (a)废水中挥发性脂肪酸随时间的变化。A:空白;B:GO;C:Fe⁰;D:Fe⁰/GO。(b) pH值和(c)氧化还原电位随时间的变化。

图3. (a)细菌群落和(b)四个体系的古菌群落在属水平上的分类学分类。

图4. Fe⁰/GO对厌氧发酵类型和共代谢菌群的影响机制。

图5. (a) 2,3,5-氯化三苯基四氮唑电子传递系统(TTC-ETS)活性随时间的变化。(b)污水中铁的含量。(c)污水中电导率的变化;(d)各系统的交流阻抗。

图6. Fe⁰/GO在细胞内和细胞外电子转移的作用机制。

相关研究成果由青岛科技大学环境与安全工程学院Qiaochu Liang等人于2023年发表在Journal of Environmental Chemical Engineering (https://doi.org/10.1016/j.jece.2023.109631)上。原文：Mediated anaerobic system performance, co-metabolizing flora and electron transfer by graphene oxide supported zero-valent iron composite。