载钙活性炭微管作为好氧颗粒的结构框架：交联网络克服了天然骨架的局限性

《Water Research》：Calcium-loaded activated carbon microtubes as a structural framework of aerobic granules: crosslinking networks overcome native framework limitations

颗粒污泥技术中钙负载活性炭微管（ACMTs-Ca）通过降低微生物界面能障碍（67.43%）加速颗粒化动力学，30天达成熟状态（>200 μm颗粒占比89.36%，SVI30=48.35 mL·g-1），结构强度提升80%。机制分析显示钙-果胶酸配位网络替代传统丝状菌-EPS骨架，调控菌群富集（Candidatus Competibacter、Flavobacterium占比增加）及algE基因（β-多糖合成）丰度上升，实现污染物高效去除（COD 96%、TN 80%、TP 99.48%）。

　　本研究探讨了一种创新的策略，利用钙负载的活性炭微管（ACMTs-Ca）来提升好氧颗粒污泥（AGS）的形成速度与结构稳定性。传统的好氧颗粒污泥技术常常受到颗粒形成缓慢和结构不稳定等问题的限制，这些问题主要归因于丝状菌和胞外聚合物（EPS）之间的失衡。通过引入ACMTs-Ca作为新的结构框架，研究者们发现这不仅显著提高了颗粒污泥的形成效率，还增强了其长期运行的稳定性。这一成果为实现高效、可持续的AGS培养提供了一种全新的方法。

好氧颗粒污泥作为一种自我聚集的生物膜系统，因其优异的沉降性能和对多种污染物的高效去除能力，已经成为城市污水处理和资源回收技术中的一个重要研究方向。在实际应用中，AGS能够同时去除化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP），并且在某些情况下表现出比传统活性污泥更高的处理效率。然而，AGS的广泛应用仍然面临诸多挑战，其中最为突出的是颗粒形成过程缓慢以及颗粒结构在长期运行中容易发生破坏。

颗粒形成过程中，丝状菌和EPS的相互作用是关键因素。丝状菌在颗粒结构的形成中起到了支撑作用，但它们在长期运行中可能会过度繁殖，导致颗粒结构的不稳定。此外，EPS的分泌和降解平衡对于维持AGS的结构稳定性至关重要。β-多糖是AGS结构的主要骨架，而蛋白质、α-多糖和辅助物质则构成了颗粒内部的填充物。在某些情况下，过度的EPS分泌可能会堵塞颗粒内部的通道，影响基质的传质效率，进而抑制微生物代谢产物的释放。这种现象可能导致颗粒内部形成空腔结构，从而降低其整体稳定性。

为了克服这些问题，研究者们尝试通过调控反应器的操作参数、补充金属离子或应用外部磁场等方式来抑制丝状菌的过度繁殖。例如，钙离子（Ca2?）和镁离子（Mg2?）被发现可以促进EPS的合成，但其过量积累可能会抑制功能性微生物的活性，并影响基质的传质效率。因此，如何在保证EPS合成的同时，避免金属离子的负面影响，成为AGS研究中的一个关键难题。

在此背景下，研究团队提出了一种新的解决方案——使用钙负载的活性炭微管（ACMTs-Ca）作为替代结构框架。与传统的丝状菌和EPS形成的结构相比，ACMTs-Ca在物理结构和化学特性上展现出更高的稳定性。活性炭微管（CMTs）作为一种微米尺度的碳材料，其形态与AGS的颗粒结构具有较高的相似性，同时具备良好的物理化学性能和生物安全性。相比于纳米尺度的碳纳米管（CNTs），CMTs避免了纳米毒性带来的潜在风险，例如膜渗透、细胞内容物泄漏和氧化应激等。此外，CMTs在化学改性方面具有更大的灵活性，使得钙离子的负载成为可能。

ACMTs-Ca的合成过程始于新疆长绒棉的处理。首先，将长绒棉进行清洗和干燥，随后在氮气氛围下进行碳化处理，得到CMTs。接下来，通过氢氧化钾（KOH）活化，进一步增强其比表面积和孔隙结构，从而获得活性炭微管（ACMTs）。最后，通过钙离子的负载，形成最终的ACMTs-Ca材料。这一过程不仅保证了材料的物理结构完整性，还通过钙离子的引入，赋予其额外的化学功能。

为了评估ACMTs-Ca对AGS的影响，研究者们对反应器的运行参数进行了连续监测，包括污泥的物理化学特性、污染物去除效率以及微生物群落的演替过程。结果显示，ACMTs-Ca显著降低了微生物与材料之间的界面能障碍，相比传统污泥，降低了67.43%。这种降低意味着微生物更容易在ACMTs-Ca表面附着并形成颗粒结构，从而加速了颗粒的形成过程。在30天内，ACMTs-Ca辅助的AGS系统达到了89.36%的成熟颗粒比例（>200 μm），同时污泥体积指数（SVI??）为48.35 mL·g?1，SVI??/SVI?的比值为99.15%。这些指标表明，ACMTs-Ca不仅提高了颗粒的形成速度，还增强了颗粒的稳定性。

此外，研究发现ACMTs-Ca的引入使得AGS的结构强度提高了80%。这种增强的结构稳定性主要归因于钙-藻酸盐的协调网络的形成，该网络由β-多糖构成，从而减少了对丝状菌的依赖。传统AGS的结构稳定性很大程度上依赖于丝状菌的支撑作用，但丝状菌的过度繁殖可能导致颗粒结构的破坏。而ACMTs-Ca的引入则提供了一种更为稳定的结构基础，使得颗粒在长期运行中能够保持较高的完整性。

在污染物去除效率方面，ACMTs-Ca辅助的AGS系统表现出显著的提升。对于COD、TN和TP的去除率分别达到了96%、80%和99.48%。这一提升与功能性微生物群落的富集密切相关，例如Candidatus_Competibacter、Thauera和Flavobacterium等菌属。这些菌属在AGS系统中扮演着重要的角色，它们不仅能够高效降解有机物，还能参与氮和磷的去除过程。通过ACMTs-Ca的引入，这些功能性微生物得以更好地富集，从而提高了整体的处理效率。

为了进一步揭示ACMTs-Ca对AGS的影响机制，研究团队还进行了宏基因组分析。结果显示，与传统AGS相比，ACMTs-Ca辅助的系统中，与β-多糖合成相关的algE基因的相对丰度显著增加，而参与氨基酸生物合成途径的基因则相对减少。这一变化表明，ACMTs-Ca可能通过调节微生物群落的组成，促使EPS的结构向钙稳定的方向发展。这种调节机制为理解ACMTs-Ca如何促进AGS的形成和稳定提供了新的视角。

研究还发现，ACMTs-Ca的引入不仅影响了微生物的附着和结构形成，还改变了其在颗粒内部的分布和代谢活动。通过多尺度分析，研究者们能够更全面地理解ACMTs-Ca在AGS系统中的作用。这种结构强化与微生物生态调控的双重作用，使得AGS系统能够在更短的时间内达到较高的运行效率，并且在长期运行中保持良好的稳定性。

此外，研究团队还对ACMTs-Ca的物理化学特性进行了系统表征。通过表面形貌、比表面积、表面电荷、元素组成和含氧官能团的分析，研究人员发现ACMTs-Ca具有良好的吸附性能和化学稳定性。其表面呈现出明显的沟槽结构，这不仅增加了其比表面积，还为微生物的附着提供了更多的位点。同时，表面电荷的变化可能影响微生物与材料之间的相互作用，从而促进颗粒的形成和稳定。

在实验过程中，研究者们还发现ACMTs-Ca的引入对污泥的理化性质产生了积极的影响。例如，污泥的沉降性能得到了显著改善，这可能与颗粒结构的增强有关。同时，污泥的含水率和有机负荷也发生了变化，这些变化进一步影响了AGS的运行效率和稳定性。通过对这些理化性质的监测，研究人员能够更准确地评估ACMTs-Ca在AGS系统中的作用。

研究还探讨了ACMTs-Ca对微生物群落的影响。通过高通量测序技术，研究人员发现ACMTs-Ca的引入改变了微生物的多样性分布。一些功能性微生物的相对丰度显著增加，而某些可能影响颗粒稳定性的菌属则有所减少。这种微生物群落的调控可能是ACMTs-Ca促进AGS形成和稳定的关键机制之一。此外，研究还发现，ACMTs-Ca可能通过提供额外的营养源或改变环境条件，影响微生物的代谢活动和生长模式。

为了验证这些假设，研究团队进行了多项实验。其中包括对微生物附着机制的深入分析，以及对颗粒结构动态变化的跟踪研究。实验结果表明，ACMTs-Ca能够有效促进微生物的附着和聚集，同时减少丝状菌的过度繁殖。这种双重作用使得AGS系统能够在更短的时间内形成稳定的颗粒结构，并且在长期运行中保持较高的处理效率。

在实际应用中，ACMTs-Ca的引入可能带来一系列的优势。首先，它能够显著缩短AGS的形成时间，这对于需要快速启动的污水处理系统具有重要意义。其次，它能够提高颗粒的结构稳定性，从而减少运行过程中可能出现的颗粒破碎和流失问题。此外，ACMTs-Ca还能够增强污染物的去除效率，特别是在COD、TN和TP的去除方面表现出色。这些优势使得ACMTs-Ca成为一种具有广泛应用前景的新型结构材料。

然而，尽管ACMTs-Ca在实验室条件下表现出良好的性能，其在实际污水处理系统中的应用仍需进一步研究。例如，需要评估其在不同水质条件下的适应性，以及其在长期运行中的生物降解和化学稳定性。此外，还需要考虑其成本效益和环境影响，以确保其在实际应用中的可行性和可持续性。

总的来说，本研究通过引入钙负载的活性炭微管（ACMTs-Ca）作为新的结构框架，成功克服了传统AGS技术中颗粒形成缓慢和结构不稳定的问题。ACMTs-Ca不仅能够提供稳定的物理支撑，还能够通过调控微生物群落的组成，促进功能性微生物的富集，从而提高污染物的去除效率。这一研究为AGS技术的进一步发展提供了新的思路和方法，具有重要的理论和应用价值。