微生物群落对废水泡沫分离过程的影响及其在PFAS（全氟和多氟烷基物质）去除中的作用

泡沫分馏过程中微生物群落对PFAS去除的影响研究。实验表明泡沫形成菌Gordonia和Microthrix使泡沫体积增加，显著降低长链PFAS（如PFOA）富集因子（从50降至18），但对浓度减少无显著影响。分子分析显示硝化细菌Nitrosomonas和Nitrospira在泡沫中被负选择，但生物脱氮功能可能未受明显干扰。

　　
本研究聚焦于污水处理厂（WWTPs）生物反应器中泡沫分馏技术对全氟烷基物质（PFAS）去除效率的影响，重点探讨微生物群落特征与泡沫行为之间的关联性及其对生物脱氮功能的潜在干扰。通过实验室半连续批次实验，结合分子生物学与PFAS浓度分析技术，研究揭示了以下核心发现：
**1. 微生物群落驱动泡沫性能差异**
实验采用来自澳大利亚三家不同污水处理厂的混合污泥（WWTP A、B、C），通过离心洗涤消除背景上清液差异，确保微生物群落差异是影响泡沫行为的主因。结果显示，携带Gordonia和Microthrix菌属的污泥样本（Run B和C）在30分钟内形成更高泡沫层（最高达9厘米）和更大泡沫体积分数（最高2.76%），显著高于无优势泡沫菌的Run A（泡沫层仅3.5厘米，体积分数1.40%）。分子测序进一步确认，Gordonia菌属丰度在Run B中增加3.2倍，而Microthrix菌属在Run C中增加1.6倍，且这两类菌均具有显著胞壁疏水性特征（如含胞壁酸和脂质储存体）。
**2. 长链PFAS富集因子与泡沫体积的负相关性**
尽管不同实验组泡沫性能差异显著，但长链PFAS（如PFOA、PFOS）的富集因子（EF值）均呈现降低趋势。Run B中Gordonia菌主导的泡沫系统，其PFOA EF值从50降至18，降幅达64%。这种反相关关系表明，更稳定的泡沫结构（高液态保留）可能通过增强空气-水界面吸附作用，反而抑制PFAS向固相迁移。研究指出，PFAS在泡沫相中的富集机制可能涉及双重作用：菌体疏水性促进PFAS吸附于气液界面，同时泡沫固相中的疏水微生物（如Gordonia）通过胞外聚合物分泌生物表面活性剂，进一步强化PFAS界面吸附。
**3. 硝化细菌选择性流失的潜在风险**
通过16S rRNA测序发现，氨氧化细菌（AOB，如Nitrosomonas）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB，如Nitrospira）在泡沫相中的相对丰度较原水降低26%-94%。显微观察显示，这些亲水性菌体更倾向于滞留在反应器主体液相中，而疏水性泡沫菌（如Microthrix）则优先富集于泡沫层。虽然实验中未检测到显著生物脱氮效率下降（因原水氨氮浓度较低），但研究警示需关注连续运行下微生物群落重构对脱氮功能的长效影响。
**4. PFOS去除率异常的归因分析**
PFOS的去除率在Run C中达到92%，显著高于其他组别，但固体相PFOS浓度仍保持高位（>100 ng/g）。研究提出两种解释：其一，原水固相中PFOS初始浓度高达105 ng/g（Run C），泡沫分馏可能通过固液相转移强化了PFOS的固相富集；其二，实验周期较短（30分钟），未达到传统脱氮反应器（6-24小时）的稳态条件，长期运行可能改变微生物代谢活性与PFAS分配系数。
**5. 技术经济性评估的关键参数**
研究提出需重点关注三个技术指标：
- **泡沫体积分数**：直接决定处理单元占地面积与运行成本
- **固液相PFAS分配系数（Kd）**：Run C中PFOS Kd值升高0.56个对数单位，表明高浓度固相PFAS可能阻碍后续热解或光催化处理
- **生物功能完整性**：需建立微生物活性监测体系，避免因AOB/NOB流失导致脱氮效率衰减

**技术路线优化建议**
基于研究发现，建议采用两阶段分馏策略：
1. **预处理阶段**：通过调节DO（溶解氧）至2-3 mg/L，抑制Gordonia等菌属的过度增殖
2. **分馏阶段**：采用旋转式刮刀式泡沫收集器（替代静态倒置漏斗），使泡沫体积分数稳定在1.5-2.5%区间，避免高液滴体积分数（>3%）导致的固相悬浮物堵塞风险

**工程化应用注意事项**
- 污水处理厂需配备实时泡沫稳定性监测系统（如回弹率测试仪）
- 原水微生物群落特征应通过基因组测序进行预评估，筛选适合分馏的活性污泥
- 需建立泡沫相PFAS与固相PFAS的动态平衡模型，指导后续高级氧化工艺（如臭氧催化氧化）的投加量优化

**研究局限性**
1. 实验周期仅30分钟，无法反映连续运行下微生物群落的动态演化
2. PFAS浓度梯度设置偏窄（原水浓度范围：3.5-137.3 ng/L），需扩大浓度范围验证
3. 未考察极端工况（如高有机负荷、低温运行）对泡沫分馏性能的影响

**结论**
微生物群落调控是提升泡沫分馏技术PFAS去除效率的核心路径。携带Gordonia/Microthrix菌群的污泥可产生高稳定性泡沫（液滴体积分数<1.5%），实现长链PFAS EF值降低至15-20倍区间，同时通过优化分馏参数（如泡沫停留时间15-30分钟）可保持硝化细菌活性损失<10%。该成果为污水处理厂升级改造提供了理论依据，建议后续研究聚焦于：①泡沫相微生物群落对PFAS吸附的分子机制；②连续运行模式下AOB/NOB的适应性进化；③泡沫分馏与电化学氧化耦合工艺的效能衰减模型。