低温条件下活性污泥膨胀的微生物机制解析及温度调控策略研究

针对北方污水处理厂冬季低温引发的污泥膨胀(SVI>150 mL/g)难题，本研究通过多温度梯度(8-22°C)SBR反应器实验，揭示温度与污泥沉降性能(SVI降低58%)、EPS组分(芳香蛋白占比53.79%)及丝状菌(Candidatus Microthrix等)丰度的负相关性，发现TM7a和Saccharimonadales对改善沉降的关键作用，为低温污泥膨胀控制提供理论依据。

　　

冬季的污水处理厂常面临一个棘手难题：活性污泥像发面团一样膨胀上浮，导致出水浑浊、处理效率骤降。这种现象被称为污泥膨胀（sludge bulking），其中超过90%案例由丝状菌过度繁殖引发。尤其在北方地区，当水温跌至15°C以下时，约50%的污水处理厂会遭遇季节性污泥膨胀，但低温如何通过微生物"作祟"的机制始终成谜。

中国西北地区某大型污水处理厂的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表的研究，首次系统揭示了温度这把"双刃剑"如何调控污泥微生物的战争格局。他们采用5组平行运行的序批式反应器（SBR），在8-22°C梯度下培养膨胀污泥，结合污泥体积指数（SVI）监测、三维荧光光谱（3D-EEM）和16S rRNA高通量测序等技术，绘制出温度-微生物-沉降性能的关联图谱。

关键实验方法
研究以西北地区某厂冬季膨胀污泥（初始SVI=154 mL/g）为对象，设置8°C、12°C、16°C、20°C、22°C五个温度组，运行50个周期后分析活性生物量比率（ABR）、松散结合型EPS（LB-EPS）组分及微生物群落变化，通过共现网络分析揭示关键菌群与环境因子的互作关系。

温度与沉降性能的博弈
当温度升至22°C时，SVI锐减58%至64 mL/g，呈现显著负相关（p<0.05）。显微镜下观察到，低温时像"触手"般从絮体伸出的丝状菌菌丝，随着温度升高逐渐收缩消失。更令人惊喜的是，活性生物量比率（ABR）在22°C时达到33.29%，较其他组提升7.61%，说明升温能唤醒污泥微生物的代谢活力。

EPS的化学密码
三维荧光光谱揭开了胞外聚合物（EPS）的温度响应秘密：22°C组松散结合型EPS中，芳香蛋白和可溶性微生物副产物占比飙升至53.79%，这些粘性物质像"生物胶水"促进絮体聚集。而紧密结合型EPS（TB-EPS）中同类物质也增加至25.77%，形成双重保护网抑制丝状菌扩张。

微生物的权力更迭
高通量测序显示，低温膨胀的四大"元凶"——Candidatus Microthrix、norank_f__Saprospiraceae、Tetrasphaera和Trichococcus在22°C时集体败退。与此同时，TM7a和Saccharimonadales这两个"有益菌"强势崛起，在22°C时合计占比超50%，且与SVI呈显著负相关（p<0.05），它们可能是改善沉降的"天然调控者"。

这项研究不仅首次明确了中国北方低温膨胀的特异性菌群，更揭示了温度通过重塑EPS化学组成和微生物群落结构来调控沉降性能的双重路径。在实际应用中，可通过定向富集TM7a和Saccharimonadales等功能菌群，或调控反应器温度至20°C以上，为冬季污水处理厂稳定运行提供"双保险"策略。该成果对寒区污水处理工艺优化具有重要指导价值，也为微生物生态调控理论提供了新案例。