藻菌颗粒粒径对热带地区污水处理性能的影响机制研究

本研究针对热带环境下藻菌颗粒污泥(ABGS)系统优化难题，通过分粒径实验(>2.0mm/0.8-2.0mm/0.2-0.8mm)揭示：中等粒径(R2)兼具最佳EPS产量(221±3mg·g-1 VSS)和脱氮效率(NH4+去除率91%)，证实粒径调控是实现低能耗污水处理的关键参数。

　　

在追求可持续污水处理的全球背景下，传统活性污泥法的高能耗问题日益凸显。热带地区特有的高温强光照环境，使得藻类-细菌共生系统(Algal-Bacterial Granular Sludge, ABGS)展现出独特优势——藻类光合作用供氧可大幅降低曝气能耗，而细菌则负责降解污染物。然而，这种"天然搭档"的协作效率却受到一个关键因素制约：颗粒粒径。大颗粒虽沉降性好但内部易缺氧，小颗粒虽传质效率高却稳定性差，究竟哪种尺寸能在热带条件下"扬长避短"？这个看似简单的问题，却直接关系到污水处理厂的能耗与出水水质。

巴西伯南布哥联邦大学（Federal University of Pernambuco）的研究团队在《Algal Research》发表的研究给出了答案。研究人员采用序列式光生物反应器培育成熟ABGS后，创新性地通过筛分获得三个粒径组(R1>2.0mm，R2 0.8-2.0mm，R3 0.2-0.8mm)，在模拟热带条件(29±1°C，180μmol·m^-2·s^-1光照)下开展系统研究。关键技术包括：光呼吸测量法测定产氧/耗氧速率，三维荧光光谱分析胞外聚合物(EPS)组分，高通量测序解析微生物群落，以及标准方法监测COD、氮磷去除效率。

【EPS组成与结构稳定性】

中等粒径R2展现出"黄金比例"特性：EPS总量达221±3mg·g^-1 VSS（挥发性悬浮固体），其中蛋白质/多糖比(PN/PS)3.5±0.2，显著高于其他组。电镜显示其具有致密核层-疏松表层的"夹心结构"，这种特殊构造既保障结构强度，又允许物质交换。

【污染物去除效能】

所有粒径对COD去除率均超98%，但氮去除呈现粒径依赖性：R2的铵态氮去除率91%领跑全场；大颗粒R1凭借优越氧扩散实现88%硝化率；小颗粒R3则在光照期通过微藻同化作用去除75%氮素。暗周期时，R1的反硝化活性比其他组高37%。

【微生物功能分层】

16S rRNA测序揭示：R1被蓝藻(Cyanobacteria)主导(84%)，R2形成蓝藻(47%)-硅藻(42%)平衡态，R3则富集绿藻(Chlorophyceae,37%)。功能上，R3光合产氧速率达3.0±0.2mg O₂·g^-1·h^-1，而R1硝化活性最高(6.9±0.3mg O₂·g^-1·h^-1)。

这项研究颠覆了"越大越好"的传统认知，证明0.8-2.0mm的中等粒径ABGS在热带条件下能实现三重优化：结构稳定性、功能平衡性、运行经济性。该发现为设计"量体裁衣"式污水处理工艺提供理论依据——通过控制粒径分布，既可减少30%曝气能耗，又能提升脱氮除磷效率。特别值得注意的是，研究揭示的光照-粒径-微生物功能的耦合规律，为应对气候变化下的污水处理挑战提供了新思路。正如Talita Marinho团队强调的，这种"让合适大小的颗粒做擅长的事"的策略，可能成为下一代可持续水处理技术的核心设计原则。