界面热力学与微生物生态学耦合驱动活性污泥系统中的载体诱导微颗粒化

《Environmental Research》：Coupling interfacial thermodynamics and microbial ecology drives carrier-induced microgranulation in activated sludge systems

　　

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  HPB工艺提高了氮去除效率。
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  在HPB系统中，载体诱导的微颗粒化主要由Lewis酸碱相互作用主导。
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  XDLVO曲线中能量势垒的消失表明初期微颗粒的形成。
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  载体促进了胞外电子转移（EET）和氮去除功能菌的富集。

引言

好氧颗粒污泥（AGS）凭借其优异的沉降性能、高生物量持留、占地紧凑以及出色的营养物去除效果，已成为城市废水处理中传统活性污泥工艺的有前景替代方案（Nancharaiah and Kiran Kumar Reddy, 2018）（He et al., 2020）。颗粒的分层结构形成了明显的氧气和底物梯度，为多样的微生物生态位提供了支撑，并实现了碳、氮和磷的同时去除（Guimar?es et al., 2017）。尽管具有这些优势，AGS在城市废水处理中的应用常因城市废水固有的低有机负荷和弱水力选择压力而受阻（Winkler et al., 2011a），导致颗粒化缓慢且启动期延长（Fan et al., 2020）。如何加速颗粒形成仍是AGS技术实际实施的主要挑战（Winkler et al., 2011b）。

为解决这一限制，高浓度粉状载体生物流化床（HPB）工艺最近作为有效的载体诱导颗粒化策略引起了广泛关注（Wang et al., 2024）。通过在活性污泥系统中引入微米级矿物载体，HPB促进了微生物的固定化和生物量持留（Wang et al., 2023）。关键在于，这些矿物载体充当结构核，诱导菌胶团的异相成核，形成致密的微颗粒。该机制不仅加速了颗粒化动力学，还显著提高了营养物去除效果（Wu et al., 2022）。然而，现有研究主要关注工艺性能，而载体诱导颗粒化的基本机理仍知之甚少（Liang et al., 2022a）。特别是，载体表面性质如何调控微生物响应从而影响颗粒化行为仍缺乏深入理解。颗粒化是一个多尺度过程，受微生物生态学、代谢活性和界面相互作用之间的协同调控（Xue et al., 2023）。胞外聚合物（EPS）为细胞黏附和聚集体稳定提供结构基质（Abdalla et al., 2021），而微生物代谢活性调控EPS的产生和群落演替（Hou et al., 2015）。同时，电子传递系统（ETS）活性和胞外电子转移在微生物能量代谢和种间相互作用中发挥重要作用（Xu et al., 2020），可通过生物化学和电化学分析进行评价（Zhang et al., 2022）。微生物群落结构也随着颗粒化的进行发生显著变化（Zhang et al., 2011），微生物逐渐形成高效共生、稳定多样的群落（Huang et al., 2020）。在微观尺度上，微生物附着和聚集体形成从根本上受微生物细胞与载体表面之间的物理化学相互作用的控制（Wang et al., 2020）。扩展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论为量化这些界面相互作用和预测微生物黏附行为提供了有力的框架（Fan et al., 2021; Yao et al., 2020）。然而，载体表面性质如何调控界面热力学、微生物代谢、EPS分泌和颗粒化动力学仍缺乏深入理解，从而限制了HPB系统中载体材料的理性设计（Cui et al., 2026）。

不同的矿物载体可能因其独特的物理化学性质而通过不同的途径诱导颗粒化（Yang et al., 2024）。硅藻土具有丰富的羟基和高孔隙率结构，有利于微生物附着、界面相互作用和电子转移（Liang et al., 2022b; Wang et al., 2025a）。蒙脱石表现出强阳离子交换容量和膨胀特性，能够形成局部氨氮浓度高的微环境，从而增强无机氮的同化作用。粉煤灰含有多孔球形颗粒以及Si-O、Al-O和Fe-O等表面官能团，增强了EPS的结合亲和力，同时提供了颗粒成核效应以及经济和环境方面的优势（Ge et al., 2026）。这些差异特性提供了阐明载体特性如何通过微生物和热力学途径调控颗粒化的机会。

因此，本研究选择了硅藻土、蒙脱石和粉煤灰作为三种代表性载体材料，以实现界面反应性、代谢调控和颗粒稳定性方面的互补效果。随后系统地研究了氮去除性能和不同载体对HPB系统中污泥颗粒化的影响。通过整合颗粒化性能、EPS分泌、ETS活性、电化学特性、微生物群落演替以及基于XDLVO的界面热力学分析，本研究旨在阐明载体表面性质、微生物生态响应和微颗粒形成之间的机理联系。更重要的是，本研究旨在揭示界面热力学如何调控载体诱导的颗粒化和微生物群落组装，从而为城市废水处理中载体材料的理性设计和高性能HPB系统的发展提供理论基础。

章节摘要

实验装置

整个实验期间，四个工作体积为2.0 L、容积交换比为30%的序批式反应器（SBR）平行运行。每个循环包括进水（30 min）、缺氧反应（110 min）、好氧反应（70 min）、沉降（25 min）和出水（5 min）。活性污泥采自中国上海某城市污水处理厂的二沉池，并在使用前通过0.2 mm筛网筛选。

反应器性能

图2展示了四个反应器在长期运行期间的氮去除性能。经过驯化后，所有反应器均实现了稳定的硝化作用，出水NH₄⁺-N浓度始终维持在1 mg/L以下。相比之下，未添加载体的对照反应器（R1）出水NH₄⁺-N浓度波动较大，且对进水总氮（TN）变化的敏感性更强，表明其对冲击负荷的抗力较差。例如，在第42天，当

结论

本研究表明，HPB系统中的微颗粒形成是一个由界面热力学、胞外电子转移和微生物群落演替共同参与的生态热力学组装过程。在所测试的载体中，硅藻土的促颗粒化效果最强，在30天内使污泥粒径增加了63.30%，生物量积累增加了24.68%，从而显著加速了微颗粒的发育。界面热力学分析

CRediT作者贡献声明

崔迎雪：撰写—审稿与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，软件，资源，调查，数据整理。杨怡：撰写—审稿与编辑，可视化，监督指导。于洪宇：可视化，验证。杨东海：可视化，调查。杨点海：可视化，监督指导，调查。韩洪波：可视化，验证。戴晓虎：可视化，监督指导，获取资助。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

致谢

本研究由上海市科学技术委员会社会发展计划（22dz1209200）提供资金支持。

崔迎雪|杨怡|于洪宇|杨东海|杨点海|韩洪波|戴晓虎