利用潮间带湿地沉积物接种的生物膜反应器引导合成市政废水中碳氮向生物聚合物回收

《Bioresource Technology》：Steering carbon and nitrogen toward biopolymer recovery in synthetic municipal wastewater using an intertidal wetland sediment-seeded biofilm-based reactor

　　

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  接种潮间带湿地沉积物的MBBR增强了合成城市污水的生物聚合物回收。
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  接种潮间带湿地沉积物的MBBR中，ALE产率达374.3 ± 10.5 mg/g VSS。
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  潮间带湿地沉积物来源的ALE表现出更高的蛋白质和藻酸盐当量含量。
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  在潮间带湿地沉积物系统中，17.5%的COD和19.1%的氮以ALE形式回收。
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  反硝化菌和胞外聚合物产生菌在潮间带湿地沉积物来源的生物膜中表现出更高的丰度。

引言

城市污水中含有大量的可回收碳和养分，然而传统的污水处理厂（WWTPs）仍然是主要设计用于污染物去除而非资源回收（Zhang and Liu, 2022）。随着能源可持续性和循环生物经济发展压力的增加，人们越来越有兴趣将污水处理厂从能源密集型处理设施转变为资源回收平台（Wei et al., 2024, Yadav et al., 2021）。在污水中可回收的资源中，藻酸盐类胞外聚合物（ALE）——胞外聚合物（EPS）的主要结构组分——因其作为吸附剂、涂层材料和生物基功能材料的潜在应用而引起了越来越多的关注（Cheng et al., 2024, Zeng et al., 2023）。从生物污泥中回收ALE已经从实验室研究进展到示范规模应用，突显了其在污水回用中的潜力（X. Chen et al., 2022a）。因此，在维持稳定污水处理性能的同时提高ALE的形成和回收，可能提供了一条将部分污水碳和养分以可回收形式保留的有效途径。

ALE的产生与微生物代谢和胞外生物聚合物形成密切相关，可受碳源、C/N比、温度、有机负荷率、pH、盐度和污泥停留时间等操作条件的影响（X. Chen et al., 2022a, Chen et al., 2022b, Li et al., 2022）。这些条件的变化可进一步改变微生物群落组成和代谢功能，从而影响胞外生物聚合物的产生和组成。除操作调控外，反应器启动期间建立的微生物群落也可能影响随后的生物膜形成和功能（Chen et al., 2019）。在生物膜系统中，初始接种物影响微生物附着和早期定殖，而随后的环境选择决定群落演替和成熟生物膜的建立（Zhao et al., 2024）。接种物组成的差异可导致不同的初始定殖模式，进而产生不同的生物膜群落结构和功能潜力。然而，这些接种物衍生的差异可能在长期反应器运行期间被环境选择逐步重塑（Chen et al., 2019）。当接种物从其原生环境转移到在盐度、养分可得性或底物组成方面存在显著差异的污水条件时，这种效应尤其相关。因此，初始接种物的影响能否在长期驯化后持续存在仍然是一个重要问题。因此，接种物选择为影响生物膜发育提供了一种潜在手段，但其对胞外生物聚合物产生的贡献需要在生物膜建立的实际条件下进行评估。移动床生物膜反应器（MBBRs）为考察接种物选择的影响提供了合适的附着生长系统，因为微生物群落在载体表面建立并在长期运行中得以保留（Zhang et al., 2022）。

潮间带湿地沉积物（IWS）包含源自周期性变化的水化、盐度和养分可得性环境的多样化微生物群落。先前的研究已证实了在生物污水处理系统中使用潮间带湿地沉积物作为接种物的可行性（Song et al., 2020, Zhang et al., 2022）。接种潮间带湿地沉积物的生物膜和颗粒污泥系统显示出与传统活性污泥建立的不同微生物群落组成和处理性能，特别是在盐水条件下。最近，Zhang等人（2024）将潮间带湿地沉积物应用于高盐有机污水处理中的好氧颗粒污泥培养。在该系统中，潮间带湿地沉积物中的无机颗粒在3%盐度下促进了颗粒形成，并且在接种潮间带湿地沉积物的颗粒中也观察到更高的ALE产量。这些研究证明了潮间带湿地沉积物作为生物污水处理替代接种物的潜力，特别是在盐水条件下。然而，接种潮间带湿地沉积物对微生物群落建立和ALE回收的影响能否在长期驯化为低盐城市污水后得以维持尚不清楚。更重要的是，接种潮间带湿地沉积物能否改变污水碳和氮向可回收ALE的分配尚未进行定量评估。

在本研究中，分别运行了两个平行接种潮间带湿地沉积物和传统活性污泥（AS）的MBBR，在相同条件下处理合成城市污水。目标是评估接种物选择是否能够引导微生物群落组装并将污水碳和氮重新导向ALE生产和回收。特别关注ALE产量和组成特征、COD和氮分配、微生物群落结构以及生物聚合物形成的潜在生物合成基础。本研究有望为生物膜系统中接种物驱动的碳和养分路由提供新的见解，并提出一种促进从城市污水中回收生物聚合物的可行策略。

章节摘要

MBBR配置与运行

本研究采用了两个相同的MBBR，直径0.17 m，高度0.50 m，有效体积5.0 L。MBBR中以30%的填充率填充了K₁生物载体。载体密度为0.92–0.96 g/cm³，载体的比表面积约为800 m²/m³。顶部安装机械搅拌器以确保载体流化。通过底部安装的曝气盘供气，维持溶解氧浓度在3.0–5.0 mg/L。

处理性能

如图1所示，基于COD和NH₄⁺-N去除率的稳定，MBBR通过两个阶段运行约100天：启动期（0–20天）和稳态期（21–100天），旨在评估COD捕获和资源回收潜力。就COD转化而言，两个反应器均实现了较高的COD转化率，R_iws平均COD去除率为95.7 ± 0.3%，R_as为93.6 ± 2.1%。R_as在整个运行期间表现出很好的NH₄⁺-N去除效果，

结论

本研究证明了接种潮间带湿地沉积物在MBBR处理合成城市污水过程中同时支持污水处理和增强ALE回收的潜力。R_iws表现出比R_as更高的总氮去除效率（92.4 ± 0.5% vs 80.1 ± 3.8%）。此外，R_iws实现了374.3 ± 10.5 mg/g VSS的ALE产量，而R_as产生了242.6 ± 8.4 mg/g VSS。从R_iws系统回收的ALE还表现出改善的组成质量，具有更高的蛋白质氮含量

CRediT作者贡献声明

刘宇辰：撰写 – 初稿、可视化、调查、形式分析。李宝怡：方法论、调查、数据整理。Mohammad Adel Najman：可视化、调查。黄淑娟：方法论、资金获取、概念构思。祁元丰：监督、项目管理。金东勋：监督、项目管理、概念构思。辛泳波：项目管理、形式分析。金相均：监督、项目管理、资金。

伦理声明

已获得参与本研究并发表文章的书面知情同意。

未引用参考文献

Chen et al., 2022c, Zhang et al., 2025a, Zhang et al., 2025b, Zhang et al., 2025c, Zhao et al., 2022.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究由中国山东省泰山学者计划（编号：tsqn202312222）、中国国家和地方联合工程研究中心城市污水处理与资源回收开放项目，以及韩国国家自然科学基金（NRF）资助（由韩国科学技术信息部资助）（编号：RS-2024-00408787）。

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