芦悦1, 2，岳欣1，叶炳南2，李再兴3，李佩琪2，徐晗2，杜若青1, 2，赵茜雅2, 4
1.河北科技大学环境科学与工程学院
2.农业农村部规划设计研究院，农业农村部农业废弃物能源化利用重点实验室
3.北京石油化工学院环境工程系
4.黑龙江八一农垦大学工程学院
随着我国人民生活质量和经济水平的显著提升，农业废物产量呈持续增长的态势，若未采取妥善的处理措施，不仅会造成资源浪费，同时也会引发水、气、土壤等方面的环境污染问题，对生态环境构成威胁。在农业废物处理技术中，厌氧发酵（AD）作为一种绿色低碳的处理技术，因其具有较高的有机负荷和较低的能耗，以及较低运行成本和较好的生物燃料产出，成为废物的有效处理方式，进而得到国内外学者的广泛关注。目前以农业废物为原料的厌氧发酵技术存在有毒物质易累积、有机物降解差、运行不稳定、甲烷产率低等问题，阻碍了AD的工程化应用。国内外学者为改善并解决这些问题，采取了投加添加剂进行催化、调节底物与接种物配比、优化运行参数等措施。铁系原材料具有价格低廉、易获取等优点，且在厌氧系统中可通过促进水解、产酸、增强酶活性和优化微生物结构等方式促进甲烷生成，并且还能有效去除系统中的污染物质，因此铁系材料被认为是处理厌氧发酵运行不稳定及甲烷产率低等问题的最佳处理方式之一。
为进一步明确铁系材料强化厌氧发酵的效果，本文系统梳理了近年来铁系材料在厌氧发酵方面的研究成果，对比分析了不同铁系材料的作用效果，阐述了铁系材料对厌氧发酵的作用机理，以及与其他材料产生的协同效应。在总结铁系材料的应用效果后，聚焦于实际工程应用，深入讨论了其目前面临的易氧化、易团聚、成本高及利用率低和难以回收再利用等问题，并对此提出了潜在的解决路径，为其工程化应用提供基础支撑。
不同铁系材料对厌氧发酵的影响
零价铁（ZVI）是一种具有强还原能力和高化学活性的物质，在厌氧系统中其通过发挥还原特性能有效促进大分子有机物向小分子有机物的转化，提升有机物的降解效率；此外ZVI还能降低厌氧体系内的氧化还原电位（ORP），不仅可以有效减少丙酸的积累，还加速了丙酸向乙酸的转化，从而减轻了因丙酸等中间发酵产物难以被直接利用引发的酸抑制现象。Ding等发现，在污泥中添加5 g/L ZVI时，能够加速对污泥中细胞外聚合物质（EPS）和内部污泥细胞的破坏，从而提高可溶性有机物的生物降解效率；Yan等研究发现，ZVI的投加可以提高部分丙酸分解酶的活性，促进丙酸向乙酸的转化；Erken等研究发现，投加ZVI到厌氧系统使得ORP显著降低，同时丙酸浓度由416 mg/L降至225 mg/L，乙酸浓度从222 mg/L升至408 mg/L。
ZVI还具有析氢腐蚀的作用，在厌氧条件下与酸反应可以释放电子产生氢气（H2），能为嗜氢产甲烷菌、同型产乙酸菌提供可用的H2，从而促进厌氧发酵系统的高效稳定运行。陈圣杰等研究发现，ZVI降低了厌氧系统中的累计H2产量，说明H2被氢营养型产甲烷菌等微生物有效利用，从而促进产甲烷进程；Luo等发现，投加ZVI后通过提升梭状芽孢杆菌〔Fe0（s）+2H2O（l）→Fe2+（aq）+H2（g）+2OH−〕中酶的活性，H2产率提高了2%~19%。
有研究发现，铁的氧化物及氯化物在优化厌氧发酵性能及提高甲烷生成量方面同样呈现出显著优势，其中铁的氧化物包括磁铁矿（主要成分为Fe3O4）、Fe2O3等；氯化铁类添加剂主要包括氯化铁（FeCl3）和氯化亚铁（FeCl2），铁的氧氯化物都是依靠Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)发挥作用。
Fe(Ⅱ)可以通过降低厌氧反应体系的ORP，促进厌氧微生物的降解能力；Fe(Ⅲ)作为辅助因子参与厌氧进程中相关酶的合成，并缓冲体系pH，防止过度酸化，也能通过异化铁还原（DIR）过程，加速有机物的分解；铁的氧氯化物在厌氧系统中会发生Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)的循环转换，发挥穿梭电子的重要作用，因此可促进直接种间电子传递（DIET）的发生。Zhan等发现，氯化铁的添加刺激了DIR过程，还富集了与水解和酸生成相关的细菌微生物，并增强了关键酶活性，进而促进了碳水化合物水解和短链脂肪酸的产生。Qin等研究表明，添加FeCl3或FeCl2对提升挥发性脂肪酸（VFAs）浓度并维持底物的pH环境有积极影响；贾通通等也发现，相对高浓度的纳米Fe3O4对厌氧系统pH有较好的调控作用。Yin等通过电化学方法发现，投加Fe3O4的试验组中污泥样品的电导率显著增加，且具有更好的胞外电子转移能力和速率（电子转移系数Kapp比对照组高84.2%）；Cruz等研究发现，投加Fe3O4时形成的DIET介导体系的最大载电子通量是种间氢电子传递（IHT）介导的106倍，电子传递效率得到很大提升，甲烷生成量显著增加。
综上，几种铁系材料可通过发挥还原能力，降低ORP，减少丙酸积累并促进其向乙酸转化，增强厌氧发酵系统的缓冲能力，加速有机物和有机酸降解，以及通过促进DIET等过程来提高系统稳定性并促进甲烷的产生，但几种铁系材料普遍存在成本高，易氧化、团聚和难以回收再利用等问题，因此如何提高铁系材料的利用率和回收率是其目前应用于厌氧发酵面临的首要问题，也是今后研究的重要方向。
铁系材料强化厌氧发酵的作用机理
铁系材料的投加能够促进难降解物质降解以及有机酸的转化，厌氧水解过程产生的主要代谢产物为VFAs，其中乙酸、丙酸、丁酸等是甲烷生成的关键底物，其含量和构成对厌氧发酵中甲烷的生产能力有直接影响。因此调控厌氧发酵过程中VFAs含量和构成，是提升产甲烷效率的关键环节。
大量研究表明，在厌氧发酵初期，铁系材料的投加可通过降低ORP、增强产酸相关酶活性等方式显著提高系统中乙酸含量，这有助于增加乙酸型产甲烷菌的可利用底物，提高甲烷产量。李子庆等研究发现，在发酵体系中投加ZVI增强了生物降解性和酸化过程，并使体系中的拟杆菌门等水解酸化菌群丰度增加，有助于将大分子有机物转化为VFAs，且促进了丙酸向乙酸的转化，使得乙酸和总挥发酸的产量提高，ZVI投加量越高促进作用越明显；裘诚刚添加适量的Fe3O4于养猪废水厌氧体系中，强化蛋白酶和α-糖苷酶等蛋白酶的活性，使得蛋白质类有机物降解率提升了112.8%，同时产酸率也提高了15.5%，说明Fe3O4有助于强化猪粪中难降解物质的溶解和酸化。总结了不同铁系材料添加对水解酸化阶段的影响见表1。
表1 不同铁系材料添加对水解酸化阶段的影响
2.2.1 影响酶活性
厌氧发酵的微生物代谢过程是由各种酶催化完成的，其中产甲烷阶段是最需金属酶调控的生物过程之一。研究表明，铁元素不仅在许多金属酶中起着活性位点和辅助因子的作用，同时铁还积极参与到与产甲烷密切相关的多种酶的合成过程中，并有效激活这些酶的催化活性。
Zhao等发现添加ZVI能使辅酶F420的活性比空白反应器高32.3%，辅酶F420是二氧化碳（CO2）还原为甲烷过程中必不可少的酶，因此提升了甲烷产量；Zhang等也有类似的研究，发现ZVI通过增强辅酶F420的活性，促进微生物的代谢，降低了高氨氮浓度对产甲烷菌的抑制作用；Zhang等在牛粪和玉米秸秆共发酵中添加氯化亚铁，发现Fe2+的存在能够增强脱氢酶（如甲酰甲烷呋喃脱氢酶）的活性，其活跃于发酵末期，促进了乙酸或CO2向甲烷的转换；Wang等]研究表明添加Fe3O4后，AD中Cyt-c酶、辅酶A（CoA）、辅酶M（CoM）和辅酶F420四种产甲烷关键酶的活性分别增加42.39%、23.74%、18.14%和41.56%，实验组实现了较快的醋酸甲烷化。
2.2.2 促进直接电子传递
厌氧发酵曾一直被认为是IHT的过程，最近的研究发现，一些细菌可以直接将电子传递给产甲烷菌，这与依赖导电菌毛或细胞色素c才能传递电子的IHT途径相比，参与直接电子传递的电子可以附着在具有高电导率的导电材料表面，以更高的电子传递效率完成更长距离且更有效的电子传递（图1），这种传递方式突破了热力学障碍自发进行，无需形成或消耗中间体，具有更高的产甲烷效率。因此，在厌氧发酵系统中投加铁系材料以促进DIET是当前探究其对AD作用机理的研究热点。
图1 厌氧发酵中的电子传递路径
Kato等发现Fe3O4能够代替导电鞭毛促进DIET；Liu等则发现Fe3O4能够代替细胞色素cOmcS促进微生物之间的DIET。Zhang等的研究揭示，在猪粪厌氧发酵体系中添加Fe3O4，能够有效促进色氨酸、赖氨酸以及腐殖酸的释放，这些化合物作为电子传递媒介，加速了DIET过程，进而强化了微生物种群间的互营共生关系；Ye等发现在厌氧发酵中加入铁氧化物后，促进了生物聚集体的形成，它们能够进行快速的直接电子交换，使得有机物氧化菌和产甲烷菌之间形成DIET，进而改善厌氧发酵性能；Yin等在厌氧污泥处理中发现，投加Fe3O4能使污泥中微生物形态呈丝状，且促进了纯酪氨酸、纯色氨酸等物质的生成，这些影响有助于微生物进行DIET，进而促进甲烷生成。Xie等发现Fe(Ⅲ)增强了e-pili导电菌毛特征基因的表达，导电菌毛能够建立DIET通路，铁及其化合物以电子穿梭器的形式作为微生物电子传递的介质，促进微生物之间的DIET。
2.2.3 影响微生物群落
AD系统厌氧微生物种类繁多，微生物根据其功能可分为产酸菌和产甲烷菌两大类，产酸菌对难降解有机物进行水解和产酸，形成VFAs和醇类，进一步转化为H2、CO2和乙酸酯，产甲烷菌从上述发酵产物中促进生物甲烷化。根据以往研究可以推断，产甲烷菌对铁的敏感性最低，在铁浓度相当高时才会做出反应，这意味着产甲烷菌对铁的需求是最高的，铁可以高水平地促进甲烷的产生。
相关研究表明，添加铁可以通过刺激产酸菌和随后的发酵转变来促进AD中的甲烷产生。Kong等发现在处理生活垃圾的厌氧系统中投加适量的ZVI，作用于难降解物质和蛋白质降解的优势细菌得到富集，且细菌多样性得到提升。Cui等通过在餐厨垃圾厌氧发酵系统中投加纳米四氧化三铁（NFe3O4）发现，NFe3O4的存在使酸化细菌、氢营养型产甲烷菌富集，还促进了微生物丝状结合体的形成，保护功能性微生物免受恶劣环境影响，进而提高了甲烷产量。Zhang等研究发现，在厌氧发酵系统中添加ZVI，促进了Methanobacterium等功能性微生物的富集，缩短了厌氧发酵产甲烷的滞后期，且甲烷产量显著增加。刘慧敏等在厌氧系统中投加针铁矿，发现Methanosarcina的丰度显著增加，它可通过与互营乙酸氧化菌耦合，减缓厌氧体系酸积累对产甲烷菌群的抑制，构建均衡的群落结构，提高厌氧反应器的稳定性。
2.3.1 铁系材料发生的异化铁还原过程
铁的异化还原是有机质厌氧降解中仅次于产甲烷的第二大重要过程，通过异化铁还原过程，Fe(Ⅲ)被用作微生物呼吸的外部电子受体，并被还原为溶解性的Fe(Ⅱ)，与产甲烷的辅酶竞争电子，同时降解有机物，从简单化合物转化为芳香烃，进而抑制甲烷生成（图2）。
图2 铁还原菌和产甲烷菌之间的底物竞争
Baek等研究表明，DIR过程在热力学中比甲烷生成更有利，可以与甲烷生成竞争电子，因此DIR过程会显著抑制厌氧发酵系统中的甲烷生成过程；李红岩等的研究也表明，随着铁材料的投加导致Fe(Ⅲ)浓度增加，异化铁还原菌活性增强，而产甲烷菌代谢减弱，使得甲烷生成速率下降；Wang等证实，DIR过程会与以乙酸盐为底物的甲烷生成产生竞争，表明DIR可能在乙酸裂解阶段对甲烷产生不利影响，富Fe(Ⅲ)条件下，产甲烷菌的生长和活性明显受到抑制。
在厌氧发酵体系中发生的异化铁还原过程虽会对甲烷生成存在不利影响，但该过程在复杂有机物降解方面具有促进作用，能为产甲烷过程提供更充足的底物。因此在投入铁系材料发生DIR促进难降解有机物分解的基础上，如何减缓异化铁还原细菌与产甲烷菌的竞争关系是今后的研究重点。
2.3.2 铁系材料的毒性作用
虽然许多细胞过程都需要金属元素，但细胞内金属元素的浓度达到一定水平会产生毒性，如果不加以管制，过量的金属会催化细胞内的各种有害反应。与其他重金属一样，铁过量时也会对微生物产生相当大的毒性，产生毒性的浓度因物种和环境条件的不同而异。
Fe2+在缺氧或厌氧条件下是有毒的，但很少被关注。Senior等提出Fe2+会通过与作用于厌氧发酵系统的细菌中的ATP酶进行结合，使ATP酶的活性降低50%~90%；也有研究证实Fe2+较其他金属离子有更高的竞争优势，表明Fe2+插入金属蛋白的能力大于其他金属离子，这会导致金属蛋白发生“错”金属化，即Fe2+会插入到与它并不适配的金属蛋白中，进而对相关酶活性产生抑制作用；van Bodegom等发现将Fe（OH）3投入到厌氧系统池中，会产生底物竞争现象，并对产甲烷菌的代谢活性产生抑制和毒性作用，除此之外，还发现氢营养型产甲烷菌比乙酸营养型产甲烷菌对其毒性作用更敏感。
但铁系材料对厌氧发酵产生毒性的作用机理还未揭示，铁离子的毒性回收方法至今尚未得到广泛研究，因此需要进一步深入研究其毒性机制，为厌氧发酵投加铁系材料的有效利用奠定基础。
铁系材料在厌氧发酵中的应用
尽管微量元素在有机体内含量甚微，但却是微生物生长和酶合成过程中不可或缺的要素，其存在与否和含量多少是影响厌氧发酵系统稳定性的重要因素之一。Glass等研究发现，甲烷生成过程中金属酶对微量元素的总体需求趋势为Fe>>Ni>Co>Zn=Mo。Scherer等对不同产甲烷菌种和菌株的元素组成进行了分析，发现产甲烷菌中的微量元素含量排序为Fe>Zn>Ni>Cu≈Mo>Mn。但除铁外的其他微量元素同样不可或缺，其中Co是CO脱氢酶等酶的必需微量元素，Ni对产甲烷菌生长至关重要，Cu能有效促进VFAs转化等。金属微量元素的减少，主要因与硫化物离子（S2−）生成沉淀，而铁元素的投加既可补充自身又能与S2−形成硫化物沉淀，有效防止其他微量元素因沉淀而损失。因此，铁元素被认为是对厌氧发酵系统最重要的微量元素。
Takashima等指出，添加铁元素促进了乙酸型产甲烷菌的富集，使得乙酸利用率提高了3~5倍；李亚新等研究表明，铁作为微量元素投加，能够促进产甲烷相关酶的合成，有利于氨氮氧化，对缓解高氨氮毒害起到关键作用，进而促进厌氧发酵产甲烷；Ferry等研究发现铁元素在乙酰辅酶及CO脱氢酶等关键酶的合成中起着关键作用，同时它也是NO还原酶、硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶等酶合成所必需的，这些酶均对厌氧发酵产甲烷过程有促进作用。Pornmai等研究发现保证铁元素充足的条件下，可使Ni、Co等其他微量元素以更小的补充量达到AD系统所需微量营养元素的量，这极大增强了产甲烷活性，加速了VFAs的转化，最终甲烷产量大幅提升。
添加铁系材料补充微量元素，可以有效促进厌氧发酵菌群分布及菌种培育，但铁系材料作为微量元素的相关研究主要集中在添加与否上，对于铁添加量的临界值、微生物对铁的利用率等还鲜有研究；另外，多种微量元素在厌氧系统中同时添加呈现积极效果，但是微量元素之间的相互作用关系尚不明确且受到多因素制约，还需进一步研究。
厌氧发酵过程中会形成挥发性硫化物（VSCs），其具有毒性高、嗅觉阈值低等特点，还有一定的腐蚀性，且在发酵过程中产生的硫酸盐会降解为硫化氢（H2S）（图3）。H2S是一种剧毒性的恶臭气体，易引起头疼晕眩等中毒症状，严重危害人体健康，它还会对参与厌氧发酵的产酸、产甲烷菌等有抑制作用。Gustavsson等指出，当硫化物达到相对较高的水平时，AD中只有10%~20%的甲烷菌以可溶的形式存在，硫化物含量过高甚至导致厌氧系统运行失败，因此去除厌氧发酵中的硫化物非常必要。
图3 厌氧发酵中硫化物转化为H2S的途径及H2S的去除途径
铁能通过与硫化物结合形成硫化亚铁（FeS）以及FeS2和S0沉淀（图3），减少沼气中H2S浓度和VSCs的排放。Park等证明了向污泥厌氧发酵系统中投加1.25%（质量比）的Fe3+可有效去除引起异味的副产品物质，其中，有臭味和腐蚀性的H2S减少了65%以上。Nägele等对比分析了不同铁系材料在厌氧系统中的脱硫效率，发现FeCl2的除硫效果最好，去除率最高可达61%~77%；范信生等研究发现，在猪粪和稻秆共发酵体中添加3%的Fe2（SO4）3能明显提升产气效果，与对照组相比沼气产量和甲烷产量分别提升了32.01%和51.48%，这是由于铁的投加能够消除反应体系中硫酸盐还原产生的硫化物对产甲烷菌的抑制作用。
在投加铁系材料的厌氧系统中，铁离子的释放速率滞后于硫酸盐的还原速率，导致由硫酸盐还原生成的硫离子还未被铁系材料及时沉淀就流出反应体系。因此，虽铁系材料进行硫化物去除在操作上是可行且有效的，但实际应用中为确保较高的除硫效率，需要不断向厌氧体系补充铁系材料，铁系材料用于VSCs控制的技术和经济可行性尚未得到验证，现有的研究仅处于实验室水平，还需进一步探索提高铁系材料利用率和降低其用量的有效途径，评估其在实际发酵过程中除硫的适用性。
抗生素作为饲料添加剂广泛应用于畜牧业的集约化养殖，约30%~90%的抗生素不能被畜禽吸收，大量的抗生素残留和抗生素耐药基因（ARGs）会随尿液或粪便排出体外，对人类的身体健康和生态环境产生极大隐患，公共卫生安全也面临着巨大的挑战。研究表明，抗生素过多会导致厌氧发酵有机酸积累、抑制沼气产生、微生物群落失衡等。通过添加铁系材料作为催化剂，可以增强复合氧化反应和电子转移或提高微生物群落的生物利用度来促进抗生素的分解，达到提高抗生素去除率和增加甲烷产量的目的。Gao等研究发现，当ZVI剂量为5 g/L时，可使餐厨垃圾厌氧发酵过程中的几种四环素抗性基因和整合酶基因的丰度显著降低（P<0.05）；Zhou等研究了ZVI对中温条件下厌氧去除多种抗生素和抗性基因的影响，当ZVI投加量为1 000 mg/L时，厌氧发酵系统中5种抗生素的去除率均达到60%；陈瑞应研究发现纳米零价铁（NZVI）、纳米三氧化二铁（NFe2O3）和NFe3O4三种纳米铁材料的添加均可以显著提高厌氧发酵反应器中四环素类抗生素（TCs）的降解率，其中NZVI的促进效果最为明显。
当前，铁系材料在抗生素去除领域的作用机理已得到清晰阐释，但在迈向大规模应用的关键阶段，仍面临理论支撑不足与经济性评估缺失的双重挑战。关于铁系材料对ARGs传播方式的影响效果缺乏明确认知，因此，深入探究铁系材料对抗性基因的改善作用及对抗生素去除路径的影响尤为重要，在确保厌氧发酵系统高效稳定运行的基础上，有效抑制抗性基因的扩散与累积，成为亟待解决的关键问题。
卤代有机污染物主要包括氯代有机物和溴代有机物等，常作为原料、溶剂等广泛应用于农业生产，卤代有机污染物具有持久性强、难生物降解的特点，当与人类或动物长时间接触后，会大大增加生物体的癌变风险。卤代有机污染物可以通过添加铁系材料进行还原脱除，特定微生物能够利用铁系材料作为电子供体或终端电子受体，参与其胞外呼吸过程，通过调控厌氧环境中电子传递过程，促进卤代有机污染物的脱除和降解。
孔殿超等利用Fe3O4和针铁矿〔FeO(OH)〕厌氧处理含2,4-二氯酚（2,4-DCP）的废水，结果表明相较于对照组，实验组的甲烷产量得到明显提高，中间产物四氯酚的浓度迅速上升，这表明废水中的2,4-DCP被迅速降解。Leitão等将Fe3O4用于含1,2-二氯乙烷废水厌氧发酵系统中进行脱氯，添加铁材料的实验组比不添加铁材料的对照组的脱氯率高出3倍，并且脱氯的滞后时间缩短了20%。Chen等研究得出，ZVI的加入促进了包括Geobacter在内的多种脱卤菌的富集，Geobacter可以促进细胞外的电子转移，并作用于Fe3+氧化物，从而提高厌氧降解污染物的效率。
上述研究发现，铁氧化物添加能明显缩短厌氧脱卤的滞后期，而铁系材料的投加会在厌氧环境中产生团聚和腐蚀等现象，需要不断添加或通过引入载体来提高其稳定性，因此开发高效稳定的负载材料尤为重要。
铁系材料与其他添加剂联合强化研究
碳基材料凭借其多孔性构造、优越的化学稳定性和丰富的表面官能团，展现出较强的吸附性能，这一特性对环境污染中有机污染物和重金属离子的迁移转化发挥作用。当碳基材料与铁系材料结合后，不仅提高了铁材料的稳定性和分散性，还能提高系统中污染物的去除效率。
Yuan等在餐厨垃圾厌氧发酵中同时添加铁、碳，可以增强微生物之间的共生联系，产生协同作用加快甲烷的生成速度，比单独添加时的甲烷最大产率提高了24.5%，累计甲烷产量提高了19.4%，并且明显缩短了产甲烷的滞后期。Wang等的研究也有类似的结果，混合添加铁屑和生物炭（BC）的AD体系促进了微生物对葡萄糖的利用，为生长代谢提供了更多的能量，且强化了水解产物转化为短链脂肪酸和氨基酸的过程，增加了甲烷产量。另外，为了提高铁系材料的反应活性，众多学者从改性和负载角度拓展了铁系材料的应用，进而实现对铁系材料单独添加的优化。Karunanayake等利用生物炭的高比表面积来负载Fe3O4纳米磁性粒子，解决了Fe3O4纳米磁性粒子易团聚的问题，这更有利于微生物的附着，提供了更多的电子转移位点，从而提高微生物之间的电子转移效率。王欣姿等通过将NZVI负载到废弃甘蔗渣制备的生物炭上，减缓了NZVI的团聚，且形成了更丰富的官能团，将其投入中温和高温厌氧发酵体系中显著提升了发酵性能，并有效缩短了滞后期，促进了甲烷生成。不同复合铁碳材料对厌氧发酵的影响见表2。
表2 不同的复合铁碳材料对厌氧发酵的影响
铁系材料与其他材料的共添加会产生协同效应，补充单独添加时营养不平衡等问题，在提高有机物降解、促进酶活性等方面表现出比铁系材料单独添加时更好的效果。
Zhang等在餐厨垃圾和废活性污泥厌氧共消化体系中联合添加ZVI和FeS，结果发现，ZVI利于水解，FeS利于VFAs转化，因此共添加产生协同作用促进了水解酸化及向甲烷的转化过程；He等在厌氧处理玉米秸秆的系统中同时添加CO2-纳米气泡水（CO2-NBW）和NZVI，发现NZVI能增强水解酸化菌及产甲烷菌的活性，CO2-NBW能减轻环境抑制，加强电子转移系统（ETS）活性、加速养分运输，共添加可使2种材料发挥各自优势产生协同效应，促进甲烷的产生；Zhao等同时添加NZVI和月桂酰肌氨酸钠（SLS）于餐厨废水厌氧系统中，发现SLS能缓解NZVI的钝化，增加脱氢酶和辅酶F420的活性，以及厌氧微生物的EPS产量，微生物絮凝能力也得以提升；铁系材料与其他材料共添加产生的协同效应，最终反映于AD系统的累计产甲烷量（图4），材料的共同添加能在发挥各自优势的基础上彼此互补，实现甲烷产量的提升。
图4 铁系材料与其他材料共添加的协同效应
结论与展望
（1）不同铁系材料在促进厌氧发酵的不同阶段都展现出了显著的潜力，在多个实验中被证明其能有效提升厌氧发酵的工艺性能，尽管取得了积极的研究结果，但相关研究和技术的应用仍局限于实验室阶段，尚未在大规模工业生产中得到广泛验证和推广。
（2）关于铁系材料对厌氧发酵作用机理的研究大多聚焦在产甲烷阶段，多探讨其对酶活性、电子传递过程和微生物群落等方面产生的正面或负面影响，但影响机理尚未完全阐明，还需要进一步的实验和理论研究。
（3）铁系材料在厌氧发酵中应用的研究，目前集中在作为微量元素进行补充及去除系统中如硫化氢、抗生素和卤代有机污染物等有毒有害物质等方面，这些研究确保了该工艺在经济上的可行性，为实际工程应用奠定了重要基础。
（4）目前铁系材料与其他材料的共添加研究主要为与碳基材料的协同作用，尤其是为改善铁系材料团聚等问题搭建的负载结构等，但与除碳基材料外的其他类型材料的联合研究较少，且缺乏具有广泛代表性的研究成果。
总体来说，对于铁系材料对厌氧发酵的作用研究已较为深入，但铁系材料的投加仍面临着易氧化、易团聚、成本高及利用率低和难以回收再利用等问题，影响从实验室走向工程化应用的进程。因此之后的研究应聚焦采用廉价原料制备铁系材料的方法，代替昂贵的纳米材料以降低成本；对于复合材料则聚焦微观领域，建立核壳或三维等立体结构以提高利用率，并发挥铁系材料的磁性特点，利用磁分离技术实现添加剂的回收和重复利用；借助智能化控制技术实现铁系材料的精准投加，避免引发毒性作用或浪费。在以上研究的基础上开展小型中试装置的长期运行试验，模拟实际运行条件，验证材料性能的稳定性和效率，为铁系材料投入厌氧发酵实际工程应用提供参考。
作者简介：
通信作者：
岳欣（1982—），女，讲师，博士，主要从事环境管理及系统评估、农业废物资源化利用等研究，xyue_hebust@163.com
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来源：环境工程技术学报
展会/征集活动
1.征集：兵团环保产业协会环保管家专家征集
2..征集：兵团环保产业协会环境应急专家征集
协会展会联系人：田东红
手机：18168995878（同微信）
协会培训/入会联系人：刘慧
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