磁场通过微生物与界面干扰控制再生水系统复合污垢的作用机制与性能评估

《npj Clean Water》：Magnetic field mitigation of composite fouling through microbial and interfacial disruption

本刊推荐：为应对再生水输配系统中微生物-无机复合污垢这一顽固难题，研究人员系统比较了永磁场（PMF）与电磁场（EMF）的控垢效能。研究发现脉冲直流电磁场（DCEMF）可显著降低总污垢质量达51.7%，并通过改变矿物相组成（文石富集）、降低微生物丰度及简化群落网络等多重机制协同抑垢。该研究为开发非化学控垢技术提供了重要理论依据和实践方案。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，再生水回用成为缓解水危机的重要途径。然而，再生水输配系统中普遍存在的复合污垢问题——包括生物膜形成、矿物结垢和颗粒物沉积的协同作用——严重制约了系统的长期稳定运行。传统化学处理方法虽能短期抑制污垢，但存在微生物耐药性、有毒副产物和环境毒性等长期风险。因此，开发绿色可持续的非化学控垢技术迫在眉睫。

磁场处理技术作为一种低能耗、无化学添加的潜在解决方案，近年来受到广泛关注。为系统评估不同磁场模式对实际复合污垢的控制效果，中国农业大学水利与土木工程学院的研究团队在《npj Clean Water》发表了题为"Magnetic field mitigation of composite fouling through microbial and interfacial disruption"的研究论文。该研究通过构建全尺寸再生水循环系统，对比分析了永磁场（300/500/800 mT）与电磁场（交流/脉冲直流）在80天运行周期内的控垢性能与作用机制。

研究团队主要采用全尺度输配系统模拟、X射线衍射（XRD）矿物分析、扫描电镜（SEM）形貌观察、16S rRNA高通量测序、共现网络分析等关键技术方法，以再生水与地下水1:1混合液为水源，系统监测了污垢积累、微生物群落动态和水质参数变化。

污垢抑制效果

磁场处理使总污垢干重显著降低19.1%-51.7%，其中电磁场（EMF）表现优于永磁场（PMF），脉冲直流电磁场（DCEMF）更是实现最高51.7%的污垢削减率。扫描电镜显示磁场处理后的污垢层更薄且颗粒分布更不规则，同时滴头流量提升14.7%-37.4%，有效缓解了堵塞风险。

矿物与颗粒污垢控制

X射线衍射揭示污垢中主要矿物相为方解石（24.0-33.7%）、白云母（19.4-21.5%）等。磁场处理引发显著的矿物相变：方解石含量降低而文石相对富集，后者因附着力弱、溶解度更高利于减缓结垢。同时石英、白云石等颗粒物含量下降20.9%-64.7%，电磁场通过振荡洛伦兹力更有效破坏颗粒聚集。

微生物响应机制

磁场使微生物丰度降低21.7%-57.7%，胞外聚合物（EPS）减少23.5%-60.2%。16S rRNA分析表明电磁场处理显著降低群落多样性，主要菌门中变形菌门（Proteobacteria）相对丰度下降而厚壁菌门（Firmicutes）上升。共现网络分析显示磁场处理使网络总连接数减少34.3%-52.1%，平均路径长度增加10.1%-62.8%，表明微生物协作能力与网络稳定性下降。

水质调控与污垢动力学

磁场处理显著提升氧化还原电位（ORP）并降低表面张力（ST），创造不利于生物膜形成的氧化环境。电磁场对好氧异养菌平板计数（AHPC）的抑制效果尤为突出，可能与活性氧（ROS）生成有关。相关性分析证实ORP与污垢量呈负相关，ST与生物膜正相关，揭示氧化应激与界面改性共同作用机制。

耦合污垢机制

多元分析揭示方解石、EPS与石英等组分间显著相关（p<0.05），证实复合污垢存在协同效应。磁场通过破坏生物膜支架结构、改变矿物结晶路径和颗粒表面电荷，同步抑制三大污垢途径，打破其相互增强的循环。

该研究证实电磁场（特别是脉冲直流模式）可通过诱导氧化应激、调控矿物相变、简化微生物网络等多重机制，实现复合污垢的协同控制。相较于永磁场，电磁场具有参数可调、作用机制更全面等优势，为再生水系统提供了绿色高效的控垢新策略。未来研究需重点优化磁场参数适应性，推动该技术在实际工程中的规模化应用。