纳米磁铁矿功能化氧化石墨烯对猪场废水厌氧处理效能提升机制研究

本研究针对猪场废水(SW)厌氧消化(AD)过程中存在产甲烷效率低、氢积累等问题，创新性地采用纳米磁铁矿功能化氧化石墨烯(GO-Fe3O4)作为电子传导材料(ECM)，通过三周期35天的序批式实验发现，150 mg L-1剂量可使甲烷产量提升17%，并鉴定出直接种间电子传递(DIET)关键菌群，为高有机负荷废水处理提供新策略。

　　

论文解读
猪场废水(SW)作为集约化养殖的主要污染物，每日单猪产生4-8升含高浓度有机物、抗生素和重金属的复杂废水。传统厌氧消化(AD)技术面临挥发性脂肪酸(VFAs)积累、氢(H₂)抑制和氨氮毒性三大瓶颈，导致甲烷(CH₄)转化率不足40%。如何突破电子传递效率限制成为提升AD效能的关键科学问题。

巴西塞阿拉联邦大学的研究团队在《Bioresource Technology》发表研究，首次将纳米磁铁矿(Fe₃O₄)功能化氧化石墨烯(GO)复合材料(GO-Fe₃O₄)应用于SW处理。通过200 mL玻璃反应器开展三周期(每周期35天)序批式实验，对比3 mg L^-1与150 mg L^-1剂量效应，结合16S rRNA测序解析微生物群落演变。关键技术包括生化甲烷潜力(BMP)测试、修正Gompertz模型动力学分析、磁分离回收GO-Fe₃O₄等。

Digester performance in the first cycle
首周期质量平衡显示，150 mg L^-1组(AR)甲烷转化率达47±2%，较对照组(CR)提升17%。COD_S(可溶性化学需氧量)残留降低至23±1%，证实GO-Fe₃O₄促进有机物矿化。

Conclusions
第三周期150 mg L^-1组实现多项突破：

1. 甲烷潜力(BMP)提升17%，最大产甲烷速率(μ)提高32%
2. 动力学常数(k)增长31%，滞后期(λ)缩短25%
3. 鉴定出DIET关键菌群：发酵菌Midas g 156和Clostridium sensu stricto 1与产甲烷菌Methanobacterium beijingense、Methanothrix soehngenii形成电活性聚集体

该研究证实GO-Fe₃O₄通过三重机制增效：

• 磁性纳米颗粒促进微生物聚集
• 氧化石墨烯(GO)原位还原为导电性更强的还原氧化石墨烯(rGO)
• 协同激活产甲烷关键酶系统

研究开创性地将纳米材料回收特性(磁分离)与生物强化相结合，为工程化应用提供理论依据。团队指出，50 mg gVSS^-1（即150 mg L^-1）为最佳投加剂量，过载可能抑制微生物活性。该成果对实现"双碳"目标下养殖废水能源化处理具有重要实践价值。