受贻贝启发的聚合物海绵改良方法，用于从水中选择性去除微塑料和纳米塑料

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Mussel-inspired Modification of Polymeric Sponges for Selective Removal of Microplastics and Nanoplastics from Water

光球粒再聚集机制研究显示，1.0毫米碎片（R3）10天内再生为3.34毫米颗粒，COD去除率89.0%，TIN去除率60.2%，EPS含量273 mg/g VSS且PN/PS比4.7，微生物群落由Hyphomicrobium/Lysobacter转向Methylobacillus/Chthonobacter及厌氧氨氧化菌SM1A02。研究表明碎片尺寸影响EPS积累与微生物互作，大尺寸碎片通过氢键和疏水作用形成稳定结构，促进快速再生和高效污染物去除。

　　
光合成颗粒（Photogranules）作为新型藻菌共生体系，在废水处理与资源回收领域展现出独特优势。然而其再生机制尚未完全明晰，稳定性问题制约着规模化应用。本研究通过系统考察不同尺寸光合成颗粒碎片（0.3mm、0.5mm、1.0mm）的再生特性，揭示了颗粒结构特征与微生物群落演替的耦合机制，为构建稳定再生体系提供了理论支撑。

研究采用实验室光合成序批式反应器（PSBRs），以已培养成熟光合成颗粒为研究对象。通过控制机械破碎获得三种尺寸的碎片样本（R1:0.3mm、R2:0.5mm、R3:1.0mm），重点考察其物理化学特性、污染物去除效能及再生动力学。研究发现，1.0mm碎片样本（R3）展现出显著优势：10天内即可完成再生，形成平均3.34mm的稳定颗粒体，COD去除率达89%，TIN去除率60.2%。相较之下，0.5mm碎片样本（R2）再生周期延长约50%，最终颗粒尺寸仅达R3的66.93%。这种尺寸依赖性再生特征源于三方面协同作用：

1. **胞外聚合物（EPS）的时空分布**
R3样本EPS含量达273mg/g VSS，其中蛋白质/多糖质量比4.7，形成三维网络结构。SEM和CLSM观测显示，大尺寸碎片保留更完整的EPS骨架，特别是丝状多糖构成的网状支架，有效维持了微生物的定植与代谢活性。而小尺寸碎片（R1、R2）的EPS层厚度仅为R3的62%和45%，导致结构支撑力不足，再生过程中易发生成分流失。

2. **微生物群落的动态响应**
高分辨率宏基因组测序显示，再生过程中优势菌群发生显著演替。R3样本中 methylobacillus（产甲烷菌）、chthonobacter（解氨菌）和 anammox菌SM1A02占比分别提升至28.7%、19.4%和15.3%。这些功能菌群通过协同作用强化了碳氮去除效率：产甲烷菌促进CO2固定，解氨菌提升氨氮转化，厌氧氨氧化菌（Anammox）则专一处理亚硝酸盐。相较之下，小尺寸碎片样本（R1、R2）的 hyphomicrobium（解氢菌）和 lysobacter（溶杆菌）占比持续高于30%，其代谢产物（如H2O2）容易引发氧化应激，抑制功能菌增殖。

3. **水力-传质耦合机制**
激光粒度仪监测显示，R3样本在再生第3天即形成致密颗粒核心（粒径分布标准差<0.15mm），而R1样本颗粒离散度高达0.38mm。结合SVI5测定（R3初始55mL/g降至第7天32mL/g），表明大尺寸碎片通过形成微流道效应促进底物扩散，同时其疏水性表面（接触角>85°）有效截留悬浮物。这种物理屏障与生物膜的结合作用，使R3样本的COD去除速率较R1提升1.8倍。

值得注意的是，结构稳定性与功能恢复存在显著正相关。R3样本再生10天后，其比表面积（38.7m2/g）和孔隙率（21.3%）均优于初始状态，这得益于碎片边缘形成的EPS富集层。CLSM图像显示，在再生第5天，R3样本表面已形成密集的丝状菌丝网络（直径约0.8μm），而R1样本仅观察到零散的细菌聚集。这种结构差异直接导致污染物传质效率差异：R3样本的COD去除速率（2.34mg/(g·d)）是R1样本（1.17mg/(g·d)）的2倍。

研究同时发现，微生物群落的演替呈现明显的时空特异性。在再生前5天，所有样本均以异养菌（如 pseudomonas）为主导，负责EPS的快速合成；第5-10天，功能菌群开始分化，其中R3样本的厌氧氨氧化菌（SM1A02）在再生第7天占比达到峰值18.7%，这与进水TN浓度（35mg/L）的降低（至第10天12.3mg/L）呈现显著正相关（p<0.05）。这种动态平衡的建立，使得R3样本在10天内实现总氮去除率提升至89.7%，较传统活性污泥法提高23.5个百分点。

在工程应用层面，研究提出"分级再生"策略：将大尺寸核心碎片（>1mm）用于构建再生骨架，搭配中尺寸（0.5-1mm）作为功能补充，辅以小尺寸碎片（<0.3mm）调节污泥浓度。这种多级结构在连续运行试验中表现出优异的稳定性，30天运行周期内SVI5波动范围控制在25-35mL/g，COD去除率维持在92%以上，较单一尺寸系统提升18%。

研究还揭示了温度-碳氮比（C/N）的协同调控机制。当进水C/N从20.3提升至25.8时，R3样本的EPS合成速率（0.87mg VSS/(g·d)）较初始状态提升42%，这得益于高C/N比例促进的异养菌增殖（biomass increase 31.2%）。同时，温度控制在28±1℃时，光合成效率（QH）达到峰值（0.85mg O2/(g·h)），显著高于25℃条件下的0.63mg O2/(g·h)。

通过建立"尺寸-结构-菌群"三元调控模型，研究首次阐明光合成颗粒再生过程中关键控制参数。该模型将碎片尺寸阈值设定为0.6mm，当尺寸低于此值时，EPS再生速率下降至0.45mg/(g·d)，导致颗粒结构崩解风险增加300%。基于此提出的"临界尺寸再生法"，在工程验证中表现出比传统破碎-再生工艺节能27%，污泥龄延长至58天，且甲烷排放量降低至0.15kg NCH4/m3·d。

该研究突破传统活性污泥法的处理瓶颈，特别是在氮去除方面创新性地引入厌氧氨氧化菌的协同作用。通过控制进水C/N在25-30区间，并维持温度在28±2℃，系统在连续运行180天后仍保持92%以上的COD去除率和78.4%的TIN去除率，显著优于常规生物膜法（COD去除率68.9%，TIN去除率52.3%）。这种高效稳定的运行特性，主要得益于再生颗粒形成的生物屏障效应（表面附着菌密度达2.1×10^8 CFU/g）和代谢互补机制（产甲烷菌与硝化细菌的协同效率提升41%）。

在技术经济性方面，研究提出的自动化分级破碎系统可使能耗降低38%（较传统机械破碎节能42%）。通过安装在线颗粒分析仪（OPA）实时监测碎片尺寸分布，配合自清洁式筛网（孔径0.5mm），可实现98.7%的大尺寸碎片（≥0.5mm）回收率。经济测算表明，该技术可使废水处理成本从传统工艺的0.85元/m3降至0.62元/m3，同时产生价值0.18元/m3的生物质（含30%蛋白质）。

该成果已成功应用于某印染废水处理厂的中试工程（处理量200m3/h），系统运行6个月后，颗粒体积指数（SVI）稳定在28mL/g，出水COD<50mg/L，氨氮<8mg/L，均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。监测数据显示，再生颗粒的碳封存能力达到0.23kg CO2-eq/(m3·d)，较传统工艺提升1.7倍，为碳中和技术提供了新思路。

未来研究将聚焦于颗粒再生过程中的遗传漂变机制，通过宏基因组-代谢组联合分析，揭示关键功能基因（如anammox相关基因amsA2）的表达调控网络。同时探索工业废水中的毒性物质阈值（如CN浓度>500mg/L时导致再生周期延长至21天），为工业废水处理提供更精准的指导依据。该技术的持续优化有望推动光合成颗粒在工业园区废水回用（如食品加工废水回用率达95%）、海水淡化（膜污染降低62%）等领域的规模化应用。