评估微生物生物膜在纺织介质上的生长情况及其在废水处理中的效率

《Science of The Total Environment》：Assessing microbial biofilm growth on textile media and its efficiency for wastewater treatment

本研究评估了五种合成纺织品介质（BNB、BB、SB、NB、HVB）在附生生物反应器（AGBR）中对市政废水处理的效果，发现BNB和HVB生物膜形成最佳，COD去除率62-64%，氨氮去除率85-87%。通过动力学参数分析揭示了微生物功能行为与材料特性的关联， techno-economic分析表明AGBR比传统SBR节省35%成本和空间，为可持续废水处理提供新方案。

　　随着全球对可持续、经济高效且高效的废水处理需求不断增加，研究人员开始探索使用非传统材料来提升处理效率。其中，基于合成纺织介质的膜材料在附着生长生物反应器（AGBR）中的应用受到了广泛关注。传统膜材料虽然在处理效果上表现优异，但其高昂的成本、高能耗以及容易发生污染等问题限制了其广泛应用。因此，寻找更具成本效益、可持续性且能有效支持微生物附着的替代材料成为当前研究的重点。

本研究对五种不同的纺织介质进行了评估，包括编织非编织（BNB）、广泛编织（BB）、螺旋编织（SB）、非编织（NB）以及水平垂直编织（HVB）。这些介质被用于附着生长生物反应器中，以支持微生物生物膜的形成，并用于处理初步处理过的市政废水。研究发现，BNB和HVB两种介质在生物膜形成方面表现出显著优势，因此被选为后续实验分析的对象。通过实验测试，这些系统在化学需氧量（COD）去除效率方面达到了62-64%，在氨氮去除方面则达到了85-87%。这些结果表明，BNB和HVB在处理效果上具有明显优势，同时也显示出其在废水处理中的应用潜力。

为了进一步理解这些纺织介质在处理过程中的表现，研究还对自养和异养微生物群落的生长速率、底物利用速率以及产率系数等动力学参数进行了量化分析。这些参数有助于揭示微生物在不同条件下的功能行为，为优化生物膜系统提供科学依据。此外，研究还考察了纺织介质的物理特性，如线密度和比表面积，发现这些特性与微生物附着模式、生物膜密度以及反应器性能之间存在显著相关性。这表明，纺织介质的结构设计在引导微生物附着、促进物质传递以及提高处理效率方面起到了关键作用。

从技术经济分析的角度来看，相较于常见的序批式反应器（SBR），AGBR系统在空间利用方面具有明显优势，占地面积减少了35%，并且在运行成本上也降低了35%。这种紧凑且经济高效的配置使得AGBR成为一种更可持续的废水处理解决方案。特别是，在资源有限的环境中，纺织介质由于其成本低廉、易于获取以及适应性强的特点，被证明是适用于分布式或现场废水处理系统的理想选择。当这些系统在被动水力流动条件下运行时，能够实现稳定的处理效果，同时减少对能源的依赖，符合可持续卫生和循环经济的原则。

纺织介质在废水处理中的应用还体现在其结构的多样性和可调性上。不同的编织方式可以创造出不同的表面形态，从而影响微生物的附着和生长。例如，BNB和HVB的结构设计使得微生物能够更有效地在介质表面形成生物膜，同时减少了膜污染的风险。这种结构上的优势不仅提升了生物膜系统的稳定性，还提高了整体的处理效率。相比之下，其他类型的纺织介质如NB和BB则在生物膜形成方面表现较弱，这可能与其表面结构的不均匀性有关。

此外，研究还指出，尽管纺织介质在废水处理中展现出诸多优势，但仍存在一些关键挑战。例如，生物膜的形成和生长可能受到环境条件的影响，如溶解氧、pH值和营养物质浓度等。这些因素在实验过程中被严格控制，以确保研究结果的准确性和可靠性。然而，在实际应用中，这些参数可能会发生变化，从而影响生物膜的性能。因此，如何在不同的环境条件下优化生物膜的形成和生长，是未来研究需要重点关注的问题。

另一个重要的挑战是生物膜的多样性。不同类型的微生物可能在不同的纺织介质上表现出不同的附着和生长行为。例如，自养微生物可能更倾向于附着在具有较大比表面积的介质上，而异养微生物则可能更依赖于介质的孔隙结构和表面化学性质。这种生物膜的多样性可能导致处理效果的波动，因此，如何在实际运行中保持生物膜的稳定性和一致性，是提升处理效率的关键。

此外，研究还提到，目前对于纺织介质中营养物质的代谢动力学仍缺乏深入的理解。虽然一些研究已经探讨了微生物在纺织介质上的生长行为，但对营养物质的转化过程、代谢路径以及动力学参数的系统研究仍然不足。这限制了对生物膜系统在不同应用场景下的性能预测和优化。因此，未来的研究需要更加系统地分析这些动力学参数，以提供更全面的科学依据。

为了克服这些挑战，研究提出了一系列优化策略。首先，通过选择适合的纺织介质，可以提高生物膜的形成和生长效率。其次，优化介质的结构设计，如调整线密度和比表面积，可以增强微生物的附着能力和代谢效率。此外，改进操作参数，如溶解氧、pH值和营养物质浓度的控制，可以提高系统的稳定性和处理效果。这些策略的综合应用，将有助于推动基于纺织介质的生物膜系统在废水处理领域的广泛应用。

总的来说，本研究通过对五种纺织介质的评估，揭示了其在支持生物膜形成和提高废水处理效率方面的潜力。BNB和HVB的优异表现表明，它们在处理效果和系统稳定性方面具有明显优势。同时，研究还指出，尽管纺织介质在废水处理中展现出诸多优势，但仍需进一步优化材料选择、结构设计和操作参数，以解决生物膜的多样性和代谢动力学方面的不足。通过这些努力，纺织介质有望成为一种更加可持续、经济高效且高效的替代材料，为废水处理领域带来新的发展机遇。