《Process Safety and Environmental Protection》：Hydraulic and thermal perturbation change EPS integrity and microbial metabolism in anaerobic granular sludge treating soybean whey wastewater
编辑推荐：
摘要大豆乳清废水（SWW）含有高浓度的可生物降解有机物和有机氮，需要高效稳定的处理技术。为实现SWW的有效处理，本实验运行了上流式厌氧污泥床（UASB）反应器150天。运行期间研究了温度和上升流速对厌氧颗粒污泥（AnGS）的协同影响。提高上升流速增强了传质，使COD去除率提升
摘要
大豆乳清废水（SWW）含有高浓度的可生物降解有机物和有机氮，需要高效稳定的处理技术。为实现SWW的有效处理，本实验运行了上流式厌氧污泥床（UASB）反应器150天。运行期间研究了温度和上升流速对厌氧颗粒污泥（AnGS）的协同影响。提高上升流速增强了传质，使COD去除率提升至88%。研究确定了有利于颗粒稳定性和有机质高效转化的水动力学条件，并阐明了厌氧系统的温度依赖性响应。胞外聚合物综合表征表明，蛋白质和多糖组成的变化与颗粒结构完整性变化密切相关。微生物群落演替和功能预测显示，热扰动下丙酸积累增强而甲烷生成受到抑制。尽管预测的功能谱变化可能表明微生物对升高的温度有所响应，但其功能意义仍不确定，系统稳定性仍然有限。这些发现为温度诱导的失稳提供了见解，并为优化UASB用于高浓度废水处理提供了指导。
引言
大豆乳清废水（SWW）是全球大豆蛋白分离物（SPI）生产的副产物（Chua和Liu, 2019）。随着大豆基产品需求的增长，大豆蛋白分离物的生产快速扩张，每生产1吨SPI约产生20吨SWW，这种生产衍生的SWW造成了严峻的环境挑战（Hu等, 2024; Tu等, 2019）。SWW富含有机物，主要是蛋白质和碳水化合物，使其高度可生物降解但也难以处理（Lay等, 2013; Zhang等, 2017）。它可导致富营养化、水污染和水生生态系统中溶解氧的耗竭（Hu等, 2024）。为应对SWW带来的环境负担，已探索了各种资源回收策略，包括生产生物燃料（Mochammad等, 2025）、沼气（Sintawardani等, 2025）以及其他高附加值产品如乳清大豆蛋白（Liu等, 2017）、大豆胰蛋白酶抑制剂（Zhang等, 2022b）和氨基酸（Mochammad等, 2025）。最近的研究报道，经溶气浮选回收大豆蛋白后的大豆废水仍含有8730.0–13488.6 mg/L的高COD浓度，凸显了后续处理对于有效废水管理的必要性（Liu等, 2026）。然而，尽管具有资源回收潜力，回收过程中经常产生二次废水，需要进一步处理。此外，大豆乳清的总体资源回收率受到技术和经济限制。因此，开发高效可持续的SWW处理策略对于妥善管理和环境保护至关重要。
已研究多种处理技术用于管理SWW。较新的方法侧重于厌氧处理，该生物过程不仅能有效处理高浓度有机废水，而且可以在最小的营养和能源需求下运行，同时产生沼气用于能源回收，尤其是上流式厌氧污泥床（UASB）反应器的应用，在高性能有机废水处理中展现出显著优势（Nalladiyil等, 2026; Senadheera等, 2025; Sintawardani等, 2025）。厌氧颗粒污泥（AnGS）通过提供更高的沉降速度和改善整体处理效率，在提升UASB反应器性能方面发挥着关键作用（Lv等, 2026; Nie等, 2021; Wang等, 2016）。因此，将UASB技术应用于SWW处理为废物最小化和资源回收提供了有前景的方法。
对于UASB反应器，要实现最佳性能，合适的上升流速和温度至关重要（Aragón-Barroso等, 2026; Daud等, 2018）。适当的上升流速可促进基质与生物量之间的充分混合，而不会引起沟流，同时保持期望的水力停留时间（Wu等, 2012）。可通过回流出水来提高上升流速，这能有效减少死区并提高COD去除效率。当上升流速在0.2–0.5 m/h之间时，可降低颗粒污泥被水流带出的风险（Nalladiyil等, 2026），有利于AnGS在反应器底部的积累和滞留，但反应器内部混合不均匀（Min, 2023）。然而，当超过2.0 m/h时，较高的水力剪切可能导致污泥破碎，可能通过抑制胞外聚合物的产生和生物活性而削弱颗粒（Mathur等, 2024; Mazaheri等, 2024）。温度在厌氧消化中也起关键作用（Winkler等, 2018）。适宜的温度可增强AnGS的处理性能，而过高的温度可能加速颗粒崩解和破裂，从而降低整体处理效率。研究证实该装置在37–43°C下可保持最佳运行条件（Rahman和Elefsiniotis, 2010）。然而，我们发现实际运行过程中温度波动会对反应器产生不利影响。据我们所知，不利影响的原因和机制尚未有报道。因此有必要进行深入讨论。尽管水动力学条件和温度都是厌氧反应器性能的重要决定因素，但以往研究大多分别考察其影响，或聚焦于不同水力条件下的传质和混合，或聚焦于不同温度下的微生物群落结构和反应器性能。然而，AnGS在水力增强后温度进一步升高的结构性和功能性响应，仍未得到充分理解。因此，有必要探讨AnGS在水力增强后温度逐步升高的响应，特别关注EPS与颗粒结构变化、微生物群落重构和COD去除之间的关系。
为探究温度和上升流速变化对SWW处理过程中AnGS COD去除效率的影响机制，在一个专门设计的UASB反应器中揭示了水力和热扰动对AnGS稳定性和功能性的影响。具体而言：（1）基于COD去除、VFA积累、氨氮变化和沼气产量，评估了不同上升流速和温度条件下的反应器性能；（2）通过EPS特征和污泥形态分析，研究了热诱导的颗粒失稳机制；（3）研究了在不同水力和温度条件下反应器运行过程中丙酸的积累和甲烷的产生，以及预测的微生物功能特征和相关丙酸途径的变化。本研究为处理高浓度工业废水的高速率厌氧系统的设计和运行提供了宝贵的指导。
章节片段
实验装置
实验系统由三个主要部分组成，UASB反应器由透明聚甲基丙烯酸甲酯制成。反应器总高150 cm，内径40 cm，有效工作容积180 L（图1）。反应器底部安装了多孔分布板，以确保进水均匀分散并减少水力短路。向反应器中接种了约30 L AnGS。反应器上部为
不同运行条件下反应器性能演变
为评估AnGS在不同运行条件下的反应器性能，实验连续进行了超过150天。为成功启动UASB单元，前7天SWW与自来水的比例保持为1:5。然后反应器完全以SWW为进水，在上升流速0.5 m/h下COD去除率达到53%。提高上升流速使反应器性能迅速恢复，COD去除
结论
总之，温度被确定为在水力和热扰动下控制AnGS稳定性的重要因素。过度的热扰动破坏了EPS的完整性，加速了颗粒崩解，改变了微生物代谢途径，最终导致VFA积累和反应器性能恶化。尽管Thermodesulfobacteriota等压力适应性微生物的丰度增加，但厌氧系统的恢复力
未引用参考文献
（Conrad, Krylova（无年份））
CRediT作者贡献声明
刘雯龙：撰写–审阅与编辑、调查研究、形式化分析。辛彦军：撰写–原稿、监督、经费获取、概念构思。严清华：监督、调查研究。周成智：监督、调查研究。王千文：监督、调查研究。安平：调查研究。吴泽宇：调查研究。陈翔：监督、调查研究。辛帅帅：监督、调查研究。尹晶雅：调查研究、形式化分析。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作受山东省高校青年创新团队计划（编号2023KJ169）、青岛农业大学高水平科研团队（编号653-1126008）以及国家自然科学基金（编号52070107）资助。此外，感谢青岛农业大学高水平科研团队和青岛农业大学分析测试中心的支持。
刘雯龙|尹晶雅|辛帅帅|陈翔|吴泽宇|安平|王千文|周成智|严清华|辛彦军
