《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Periodical Low-Intensity Ultrasound Driven Multiscale Regulation in Aerobic Granular Sludge
编辑推荐：
•首次实现周期性低强度超声（LIU）同步加速好氧颗粒污泥（AGS）成粒并提升系统稳定性。•LIU使胞外聚合物（EPS）增加14.61%，富集松散结合型胞外聚合物（TB-EPS）和蛋白（PN），增强颗粒凝聚力。•LIU重塑微生物群落结构，上调关键酶表达，提高短程反硝化（SND）
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首次实现周期性低强度超声（LIU）同步加速好氧颗粒污泥（AGS）成粒并提升系统稳定性。
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LIU使胞外聚合物（EPS）增加14.61%，富集松散结合型胞外聚合物（TB-EPS）和蛋白（PN），增强颗粒凝聚力。
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LIU重塑微生物群落结构，上调关键酶表达，提高短程反硝化（SND）水平。
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在50%负荷冲击下，LIU维持89.4%的总氮（TN）去除率，恢复速度提高40%。
引言
据报告，污水处理所消耗的能量占全球水务部门总电力支出的25%。污水处理所使用的能源通常来自燃烧化石燃料的发电厂，这进一步排放大量碳和温室气体[1]。因此，在碳达峰和碳中和目标的驱动下，污水处理技术迫切需要向低碳、高效和资源化方向转型。
好氧颗粒污泥（AGS）因其优异的沉降性、高生物量截留率、同步脱氮除磷能力以及低碳足迹，被视为下一代核心生物污水处理技术之一[2]。然而，AGS的广泛应用仍受两大瓶颈制约：（1）成粒启动期通常较长，根据运行条件和进水特征，往往需要40至90天[3]；（2）长期运行稳定性较差，颗粒常因传质限制、核心降解或代谢失衡而在数周或数月后解体[4]。关键的是，成粒与稳定性在AGS系统中保持相互依存的动态关系：成粒质量决定颗粒稳定性，而解体后的颗粒则启动动态再成粒过程。最优的AGS系统应超越基于阶段的成粒范式，在成粒与稳定性之间建立动态平衡[5]。当前研究仍通过孤立框架考察这些方面，忽视其内在关联。因此，亟需一种能够同时加速成粒并提升长期稳定性的统一调控策略，但目前尚缺乏此类策略。
为应对这些挑战，当前的成粒加速策略包括添加金属离子[6]、引入载体材料[7]或接种污泥改性[8]，主要通过改变颗粒微环境来增强微生物聚集[9]。然而，这些方法存在一些不足，如二次污染、成本高或操作复杂。同时，稳定性提升策略大多集中于解体后的修复，未能从根本上解决胞外聚合物的传质通道或代谢失衡问题[4][10]。近年来，低强度超声（PU）作为一种环保的物理调控手段，能够通过机械振动、空化微射流和生物刺激效应，改善污泥传质性能、调控胞外聚合物组成并增强功能酶活性[11][12]。低强度超声可以提高生物活性；然而，当强度超过0.4 W/cm2时，活性显著降低[13]。超声处理可以改善AGS的可消化性，也有助于磷、氨氮和重金属等资源的回收[14]。这表明低强度超声主要在EPS水平发挥作用，不会造成明显的细胞裂解。此前的研究已证实，PU可以增强传统活性污泥和厌氧氨氧化系统的处理效率[15]。然而，其在AGS系统中的潜力仍有待充分探索，尤其是在同时解决成粒缓慢和稳定性差方面的应用。
基于上述分析，我们假设周期性超声能够通过以下途径同步加速成粒并提升稳定性：（i）通过机械筛分和传质改善选择快速聚集的微生物；（ii）通过生物刺激调控EPS组成和关键氮代谢酶，从而构建具有韧性的微生物网络。因此，我们建立了超声辅助的AGS工艺，设定三个目标：（1）通过颗粒的理化表征验证超声的成粒加速能力；（2）通过长期运行和冲击负荷耐受性评估体系稳定性；（3）探究长期运行过程中微生物群落演替和氮代谢途径的演变。研究成果有望为好氧颗粒污泥技术的快速启动和稳定运行提供一种绿色、高效且无创的超声辅助调控策略，从而推动其在低碳污水处理中的实际应用。
各节摘要
实验装置与运行条件
该实验装置为有机玻璃圆柱体，内径0.05 m，高0.40 m，有效容积3 L。反应器采用底部进水、中部出水的液压模式，容积交换率控制在50%，在环境温度条件下连续运行195天。曝气通过连接转子流量计的微孔扩散器（孔径：50 μm）提供，将溶解氧（DO）维持在2.5 ± 0.3 mg/L，气流量为
快速成粒
在启动期间，系统性地从两个反应器中收集好氧颗粒污泥样本，每隔5天收集一次，以进行全面的形态学表征，如图1a所示。在第5天，PC反应器中的污泥整体形态较为松散，而PU反应器中的污泥已开始聚集成团，团簇中心出现多个疑似污泥核。透射显微镜显示，PU反应器中形成了致密、不透明的
结论
本研究证明，周期性低强度超声辐照是一种有效的策略，能够同时解决好氧颗粒污泥系统中成粒缓慢和稳定性差这两个长期存在的挑战，同时还能增强系统的长期稳定性。超声改善了颗粒形态和粒径分布，还增强了传质性能和EPS组成。这些变化加强了颗粒凝聚力和抗冲击负荷能力。超声
作者贡献声明（CRediT）
Heng Yuan：软件、调查研究。Yifan Song：撰写——初稿，数据整理。Chonghui Liu：调查研究。Xiaoxiao Zhu：形式分析。Junfeng Wan：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。Xiaoling Ma：撰写——初稿，数据整理。Xiaoying Guo：撰写——审阅与编辑。Qiong Guo：撰写——审阅与编辑。Haisong Li：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明，不存在已知的与本文所报告的工作存在冲突的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢郑州大学河南环境与资源国际联合实验室的财务支持。本研究由河南省重点研发专项资助，项目编号为241111321400。
Xiaoling Ma|Yifan Song|Heng Yuan|Xiaoxiao Zhu|Chonghui Liu|Qiong Guo|Xiaoying Guo|Haisong Li|Junfeng Wan
